Venezuela. Potencial Energía Solar y Eólica Académico. Ing ...
POTENCIAL DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ...
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1 POTENCIAL DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN EN ZONAS DE ALTA IRRADIACIÓN EN COLOMBIA PARA CARGAS DE REFRIGERACIÓN MEDICAS Y CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS ING. JUAN CARLOS BELTRÁN MARTÍNEZ P.h.D. DOCTOR CAMILO ARIAS UNIVERSIDAD LIBRE MAESTRIA EN INGENIERIA CON ÉNFASIS EN ENERGÍAS ALTERNATIVAS FACULTAD DE INGENIERIA BOGOTÁ D.C 2018
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POTENCIAL DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN SOLAR POR ABSORCIÓN EN
ZONAS DE ALTA IRRADIACIÓN EN COLOMBIA PARA CARGAS DE
REFRIGERACIÓN MEDICAS Y CONSERVACIÓN DE ALIMENTOS
ING. JUAN CARLOS BELTRÁN MARTÍNEZ
P.h.D. DOCTOR CAMILO ARIAS
UNIVERSIDAD LIBRE
MAESTRIA EN INGENIERIA CON ÉNFASIS EN ENERGÍAS ALTERNATIVAS
FACULTAD DE INGENIERIA
BOGOTÁ D.C
2018
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Indice
Tabla de contenido Capítulo 1. Problema de investigación .............................................. Error! Bookmark not defined.
Capítulo 2. Marco teórico.................................................................. Error! Bookmark not defined.
Capítulo 3. Análisis del sistema ........................................................ Error! Bookmark not defined.
Capítulo 4. Estudio de simulación transitorio ................................... Error! Bookmark not defined.
Capítulo 5. Conclusiones................................................................... Error! Bookmark not defined.
Capítulo 6. Anexos ............................................................................ Error! Bookmark not defined.
6.1. Comportamiento del refrigerador servel en EES ……………………………150 ............ Error!
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Introducción ........................................................................................................................................ 7
Capitulo 1 ............................................................................................................................................ 9
Problema de investigación .................................................................................................................. 9
1.1 Definición del problema: ..................................................................................................... 9
1.2 Justificación ............................................................................................................................. 10
1.3 Objetivos: ................................................................................................................................ 12
1.3.1 Objetivo General .............................................................................................................. 12
1.3.2 Objetivos específicos: ...................................................................................................... 12
1.4 Antecedentes bibliográficas de sistemas de refrigeración solar por absorción: ...................... 12
MARCO TEÓRICO .......................................................................................................................... 27
Introducción: ................................................................................................................................. 27
2.1. Sistema termodinámico de refrigeración por absorción solar: ............................................... 28
2.1.1 Ciclo de Absorción ........................................................................................................... 28
2.1.2. Eficiencia en los sistemas de Refrigeración: ....................................................................... 33
2.1.3. Refrigerantes del sistema de absorción: .............................................................................. 34
2.1.4. Refrigeración solar por absorción ............................................................................... 35
2.2. Sistema de absorción Servel: .................................................................................................. 41
2.2.0 Caracterización del sistema Servel: ...................................................................................... 42
2.2.1. Consumo Generador. ........................................................................................................... 48
2.2.2 Mezclas Binarias .................................................................................................................. 50
2.3 Sistema Captación solar: ......................................................................................................... 62
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Capítulo 3 .......................................................................................................................................... 79
Análisis del sistema ........................................................................................................................... 79
Introducción .................................................................................................................................. 79
3.1 Refrigeradores Servel en el campo comercial ......................................................................... 80
3.2 Dimensionamiento del sistema ................................................................................................ 80
3.5 Dimensionamiento sistema solar: ............................................................................................ 82
3.5.1 Balance térmico: ................................................................................................................... 84
3.5.2 Capacidad calórica requerida en el generador ...................................................................... 91
El deseméño de los sistemas de refrigeración se miden por el COP, tal como se menciona en el
capitulo dos en el subtitulo, 2.1.2. Eficiencia en los sistemas de Refrigeración, con el uso de la
ecuación 2.1 determinamos e desempeño del equipo. ................................................................... 99
3.5.2.1 Capacidad energética del generador medida en el laboratorio ........................................ 101
3.6 Instalación Solar: ................................................................................................................... 105
3.6.2 Número de captadores solares: ........................................................................................... 109
3.7.1 Diseño de sistema Fotovoltaico para la primera bomba: ................................................... 116
3.7.2 Diseño de sistema Fotovoltaico para la segunda bomba: ................................................... 117
3.8 Simulación en TRNSyS V17................................................................................................. 120
3.3.1 Montaje .............................................................................................................................. 122
Capitulo 4 ........................................................................................................................................ 136
4.1 Análisis de resultados ................................................................................................................ 136
4.3. Análisis de comportamiento energético transitorio .............................................................. 139
4.4. Eficiencias: ........................................................................................................................... 152
Capitulo 5 ........................................................................................................................................ 164
5.1 Conclusiones ............................................................................................................................. 164
6 Anexos...................................................................................................................................... 170
6.1 Comportamiento del refrigerador Servel en EES .................................................................. 170
6.2 Resultados Comportamiento real del refrigerador ................................................................ 174
6.3 Ciclo Termodinamico del refrigerador Servel ............................. Error! Bookmark not defined.
6.4 Psicrometria para infiltración, Balance térmico .......................... Error! Bookmark not defined.
7 Referencias ......................................................................................... Error! Bookmark not defined.
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Lista de figuras
Figura 2.1 Ciclo de absorción tipo…………………………………………………26
Figura 2.2…………………………………………………………………………...31
Figura 2.8…………………………………………………………………………...36
Figura 2.9 Lineas de ubicación……………………………………………………..41
Figura 2.10 Carta psicómetrica……………………………………………...……..42
Figura 2.11 Diagrama Txy para una mezcla binaria agua amoniaco………………45
Figura 2.12 Diagrama Entalpia-composición para amoniaco……………………...46
Figura 2.13 Diagrama Txy para una mezcla binaria agua amoniaco………………47
Figura 2.14 Esquema nevera servel Electrolux…………………………………….53
Figura 2.15 Transición de calor…………………………………………………….58
Figura 2.16 Esquema de colector solar plano………………………………………60
Figura 2.17 Volumen de control del sistema de captación de energía……………..65
Figura 2.18 Tendencias de consumo eléctrico en un edificio……………………...76
Figura 2.19 Tendencias en el mercado sobre la base del 20% de compra de
Refrigeradores……………………………………………………………………..77
Figura Gráfico 2.20 de corriente frente al tiempo dado por segundos……………..97
Figura 2.21………………………………………………………………………...114
Figura modelado de refrigerador 2.22…………………………………………….116
Figura 2.23 parámetros del Type………………………………………………….118
Figura 2.24 Comportamiento solar de Manaure…………………………………..129
Figura 2.25 carácteristicas climáticas de la ciudad de Manaure del presente año..129
Figura Gráfica 2.26 temperaturas de trabajo de salida del refrigerador………….131
Figura Grafica 2.27 Carga del tanque…………………………………………….132
Figura 2.28………………………………………………………………………..133
5
Figura Gráfico 2.29 energía y temperatura del panel……………………………..134
Figura Gráfico 2.30……………………………………………………………….135
Figura Gráfico 3.0..……………………………………………………………….136
Figura Gráfico 3.1 comportamiento del sistema………………………………….137
Figura Gráfico 3.2………………………………………………………………...138
Figura Gráfico 3.3………………………………………………………………...139
Figura Gráfico 3.4………………………………………………………………...140
Figura Gráfico 3.5………………………………………………………………...141
Figura Gráfico 3.6………………………………………………………………..143
Figura Gráfico 3.7………………………………………………………………..144
Figura Grafico 3.8………………………………………………………………..153
Figura Gráfico 3.9………………………………………………………………..155
Figura Gráfico 4.0………………………………………………………………..156
Figura Gráfico 4.1………………………………………………………………..157
Lista de tablas
Tabla 2.1 Toma de datos de temperaturas y tiempos de reducción de sustancia
Un grado…………………………………………………………………………38
Tabla 2.2 Cambios de aire por hora que se presenta bajo condiciones
promedio………………………………………………………………………….40
Tabla 2.3 Factor de potencia y ángulos de desfase……………………………….44
Tabla 2.4 Tipos de colectores solares y rangos de trabajo de temperatura.………59
Tabla 2.5 propiedades de los aceites………………………………………………62
Tabla 2.6 toma de datos de temperaturas con respecto a un kilogramo de agua a
enfríar……………………………………………………………………………..86
Tabla 2.7 Valores típicos de los parametros caracteristicos, eficiencia óptica (ℎ0) y
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coeficiente general de perdidas (𝑈𝐿), así como el rango normal de temperatutras de
trabajo patra distintos tipos de colectores………………………………………..104
Tabla 2.8 Datos meteorológicos de Manaure…………………………………….134
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Introducción
Colombia es un país que posee un alto índice de zonas no interconectadas, según
estudios realizados por el IPSE, 1448 localidades presentan está situación, reportando a
treinta y nueve cabeceras municipales y cinco capitales departamentales sin fluido eléctrico.
La falta de energía a suscitado en algunas zonas del país el contagio de enfermedades como
el cólera, bulimia infantil, entre otros Causando en algunos casos la muerte de niños. Este
tipo de infecciones se han presentado por conservación inadecuada de alimentos.
La presente investigación estudia el potencial de un sistema de refrigeración solar por
absorción de zonas de alta irradiación en Colombia para cargas de refrigeración medicas y
conservación de almientos. Este análsis busca mostrar que el uso de energías alternativas, es
una solución para la conservar alimentos y medicamentos con el uso de un refrigerador.
Caundo se refriere a conservar productos perecederos como alimentos y
medicamentos, lo primero que se entra a analizar es en la demanda energética requerida para
hacerlo. Regiones como Manaure, Riohacha, Uribía y zonas selváticas del país, que no
cuentan con fluido eléctrico se privan del uso de esta tecnología.
La refrigeración por absorción es un sistema que funciona con el uso de vapores
residuales, resistencias eléctricas y agua caliente, es decir que que todo tipo de energía que
permite intercambiar calor es apropiado para el funcionamiento de este tipo de sistemas. El
sol es la mayor fuente de energía, 174 cuatrillones de vatios golpean la tierra y la cual puede
ser aprovecada para intercambiar calor y generar frio.
En el generador que hace la función de un compresor, se ensambla un colector solar
termico, el cual permite que las sustancias como el refrigerante y su medio de transporte que
es el absorbente puedan evaporarse por el calor generado, logrando un cambio de estado de
vapor a vapor sobrecalentado a una alta presión.
Está investigación se divide en cuatro capítulos que permiten, el primer capitulo da
un detalle del planteamiento del problema la cual va soportada con una justificación, en ella
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se hará una descripción del porque es importante el estudio y aplicación de un sistema de
refrigeración solar por absorción, adicionalmente se verificara proyectos anteriormente
aleborados con este tipo de tecnología, para determibar condiciones de diseño y de trabajo
del sistema,.
El segundo capitulo en cierra toda la teoría que requiere la investigación, se hará una
explicación resumida de los tipos de sistemas de absorción existente, para finalmente
centrarse en el ciclo de refrigeración Servel . Se caracteriza un refrigerador Domestic RH
131, donde se toman datos reales cuando el equipo esta en funcionamiento, como
temperaturas en las entradas y salidas de cada elemento que compone el sistema, se verifica
la capacidad de refrigeración. Se determinara las condiciones de trabajo, como el calor que
requiere el generador para efectuar la compresión química de la sustancia y con el resultado
obtenido se determina el captador solar. Se efectua un montaje del sistema en Trnsys
acoplado a colectores térmicos y paneles fotovoltaicos para simularlo en condioones reales
de operación .
Con los resultados obtenidos se efectuara un análisis del comportamiento del equipo,
para determinar la viabilidad del sistema sustentado con energía solar, utilizando como
ejemplo un refrigerador por absorción donde se determina que tanta cantidad de energía
requiere para generar frio, para que finalmente este sea una aplicación viable a futuro y que
puede ser una forma de reducir enfermedades por contagio de alimentos no conservados de
una forma apropiada.
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Capitulo 1
Problema de investigación
1.1 Definición del problema:
Colombia es denominada como uno de los países con mayor número de recursos
naturales en el planeta, está riqueza ambiental es utilizada para suplir necesidades básicas
a sus habitantes, como abastecimiento de energía eléctrica, suministro de agua potable,
entre otros. Energéticamente el país se divide en dos zonas, una es la interconectada
(poblaciones que disfrutan de energía eléctrica en sus hogares), y la no interconectada
que según el Ipse (instituto de planificación y promoción de soluciones energéticas para
las zonas no interconectadas), que corresponde al 25% del país no posee fluido eléctrico.
La falta de servicio de energía eléctrica lleva a que exista un atraso social, un ejemplo
es el impactando en la salud de los habitantes, en especial de los niños. el ministerio de
salud pública ha informado que zonas como la Guajira, Guaviare, Amazonas, entre otros
departamentos, presentan un alto índice de padecimientos como salmonella,
gastroenteritis, Cólera, Botulismo infantil, conocidos también como enfermedades ETA.
Los reportes generados por el departamento de salud, menciona que la guajira posee 30
casos colectivos de enfermedades por alimentos no conservados adecuadamente,
igualmente el departamento del Amazonas reporto 11 casos individuales, en el año 2014.
Esta ley fue implementada por el gobierno nacional, la cual expresa la necesidad de
conservar los alimentos mediante sistemas adecuados de refrigeración, garantizando que
el producto esté en condiciones aptas para el consumo humano. La norma anteriormente
descrita no tiene cumplimiento en el 25% del país, porque no cuentan con conexión a la
red eléctrica nacional, por tal motivo el tener la posibilidad de utilizar un refrigerador
para tal fin es totalmente nula. (Ley 9 de 1979).
Otro problema que impacta es la conservación de medicamentos en centros de salud,
como vacunas, insulinas, suero antiofídico y fármacos que requieren temperaturas admisibles
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para su preservación. Dada que la temperatura ambiente de las zonas es muy cálida y en
algunos casos demasiado húmedo, los productos mencionados anteriormente, no pueden
permanecer mucho tiempo sin estar refrigerados. Para evitar cualquier desperdicio de
medicinas, se prefiere solicitar traslado de medicamentos de una región a otra, este tipo de
situación pueden comprometer la vida de un paciente, ya que puede durar horas o días la
llegada de un fármaco a la zona que lo requiere.
Por lo expuesto anteriormente, la finalidad de esta investigación es demostrar que la
energía solar es una alternativa para mejorar las condiciones sociales en los departamentos
poco favorecidos, ayudando a mejorar la calidad de vida con la disminución de contagio por
alimentos no conservados adecuadamente ya que la necesidad de refrigerar en cualquier parte
es impresendible, todo alimento al conservarse atrasa la degradación y deterioro de su estado,
prolongando el tiempo físico químico del producto disminuyendo la proliferación de
infecciones, tanto para adultos como niños. Este proyecto puede ser una base para futuras
investigaciones como traslado de órganos de una ciudad a otra utilizando el potencial de la
energía solar.
Teniendo en cuenta lo planteado anteriormente y considerando que las zonas no
interconectadas poseen niveles de irradiación solar aceptables, se puede plantear la siguiente
pregunta de investigación, ¿Es posible obtener un sistema de refrigeración que utilice como
fuente energética el calor para generar frio, usando como fuente base, la energía solar en
zonas de alta irradiación en Colombia?
1.2 Justificación
La ausencia de energía eléctrica en algunas zonas marginadas del país, promueve a
que exista atraso tecnológico, ya que, al no contar con electricidad, es imposible el uso de
electrodomésticos, los cuales cubren necesidades básicas en las familias. Los sistemas de
refrigeración son muy comunes e indispensables en usos familiares e industriales. La
finalidad de este tipo de sistemas es el de acondicionar espacios para la conservación de
alimentos perecederos, medicamentos, órganos humanos, entre otros.
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En climas cálidos existe riesgos de contagio de enfermedades por alimentos no
conservados adecuadamente o por falta de medicamentos como antibióticos, sueros
antiofídicos, insulinas, etc. Para medicamentos un paciente debe esperar el tiempo de
transporte que requiere para trasladarlo desde una ciudad principal hasta el lugar donde se
encuentra, existiendo la posibilidad que un paciente pueda sucumbir por una enfermedad que
requiera atención inmediata con el uso de un medicamento.
Colombia es un país que por su posición geográfica tiene zonas de alta irradiación,
que estas a su vez se encuentran sin fluido eléctrico. Dando así a una apertura a la solución
de generar frio, mediante el sol , que es una fuente existente y que puede usarse como una
alternativa de transformar la irradiación del sol en calor. Los sistemas de refrigeración
poseen equipos que se acoplan fácilmente a este tipo de energía calórica y se conocen como
la absorción.
La refrigeración requiere sistemas de compresión para cambiar el estado el
refrigerante, desde una posición de baja temperatura a otra que debe ser de alta temperatura.
El refrigerante a la salida del evaporador se encuentra en estado gaseoso, la finalidad es que
el gas refrigerante pase a estado gaseoso sobrecalentado por el trabajo del compresor para
que este después transfiera energía a una fuente, la cual puede ser al aire o agua y esto se
logra mediante el condensador, la finalidad de este proceso es buscar que el fluido gaseoso
se vuelva líquido a alta presión.
Como se describió anteriormente, se requiere un sistema mecánico que tiene altos
consumos de energía para cambiar de presión y temperatura el refrigerante, los sistemas de
absorción reemplazan esta tipo de compresión mecánica mediante un proceso químico, el
cual requiere calor para hacer dicho trabajo.
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1.3 Objetivos:
1.3.1 Objetivo General
Determinar el potencial de un sistema de refrigeración solar por absorción en zonas
de altas irradiación en Colombia para cargas de refrigeración médicas y conservación de
alimentos.
1.3.2 Objetivos específicos:
Seleccionar el sistema de refrigeración adecuado por absorción, con el fin de
determinar cuál es el que mejor se acopla a la fuente energética.
Realizar prácticas de laboratorio para evaluar las capacidades de operación del
sistema de refrigeración.
Escoger el sistema de captación solar para precisar el potencial necesario de energía
que se debe suministrar a la unidad de refrigeración.
Desarrollar pruebas mediante simulación donde se va a evaluar el funcionamiento del
sistema.
1.4 Antecedentes bibliográficas de sistemas de refrigeración solar por absorción:
En esta sección se presentará la revisión de estudios teóricos y prácticos realizados
para sistemas de refrigeración solar por absorción, los cuales aportan datos fundamentales
con el tema de está investiación, se analiza sistemas que utilizan fluidos como el litio bromuro
– agua y agua amoniaco.
En relación con los estudios previos, se han encontrado investigaciones sobre la
refrigeración solar utilizando en su mayoría sistemas de amoniaco por sus condiciones
apropiadas para refrigerar. En este caso en particular se desea identificar entre el agua -
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bromuro de litio y amoniaco agua cual puede ser la sustancias más apropiadas para este tipo
de aplicación.
Otro rango de estudio en este trabajo es el comportamiento del sistema de captación
solar, durante este análisis se revisara la forma de seleccionar los paneles térmicos, como el
dimensionamiento del panel y su conectividad. Adicionalmente se revisara que tipo de fluido
es más apropiado para aumentar la transmisión de calor.
En relación con estudios prácticos, se han publicado en su gran mayoría a equipos de
climatización de edificios mediante el uso de la absorción (Chiller de agua helada),
acoplándolo a paneles solares térmicos.
En sistemas de conservación artículos a nivel internacional como China, Rumania,
Libia, Estados Unidos y Japon promueven como una alternativa la energía solar. En cuanto
a estudioas a nivel nacional la universidad de los andes a propuesto sistemas de absorción
para refrigerar productos cárnicos, especialemte la de pescado, ejecutando pruebas con éxito.
A continuación, se comenta brevemente los trabajos realizados para determinar que tipo de
sistema de absorción es el más adecuado.
Diseño de sistemas solar por adsorción para clima calidos húmedos:
Jesica Trujeque en el año 2010 desarrolla el dimensionamiento de un sistema solar
por adsorción para climas húmedos, el sistema tiene la capacidad de enfriar un litro
de producto, en un rango de temperatura hasta cuatro grados centígrados. El estudio
analiza tres fluidos de trabajo, como agua, etanol y metanol. El adsorbente apropiado
lo determina analizando cinco tipos de materiales. El objetivo principal es la selección
del captador solar, mediante los cálculos desarrollados por el autor, decide que el
capatdor solar debe ser rectangular. (Trujeque, 2010).
Los objetivos específicos los orienta a determinar el agente refrigerante optimo junto
con el sistema de captación, para enlazarlos finalmente al comportamiento del sistema
en temperaturas muy cálidas y húmedas, solo realizó un estudio teórico. Se destacan
aspectos positivos como negativos, los positivos es que el sistema no es dañino para
la capa de ozono, en el capítulo de discusiones comenta que no permean la capa de
ozono, pero si es dañino para el hombre. (Trujeque, 2010).
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Diseño de refrigerador solar con el uso de un sistema de absorción agua amoniaco
Rafael G Beltrán en el año 2010 presenta un articulo donde describe una instalación
experimental para la producción de frio utilizando un sistema de absorción
intermitente usando energía solar. Está investigación es para comunidades de la costa
pacifica de Colombia, donde la infraestructura es muy minima, el objeto es conservar
producto carnico, específicamente producto de pesca. Orienta el articulo al
funcionamiento del refrigerador, las partes que lo componen las temperaturas de
trabajo del sistema. Recomienda el uso de refrigerante amoniaco y absorbente agua,
la concetración para la conservación de alimentos y con el diseño planteado debe ser
de 7 kilogramos. En el estudio se observo que las temperaturas maxímas captadas con
el uso de un panel solar termico en la ciudad de Bogotá, alcanzan unas temperaturas
en el generador de 70-80 °C en días despejados, en horas de 11 am, 1 pm y hasta las
4 pm. (Beltrán, 2010)
En el resumen de diseño el ingeniero da unas especificaciones técnicas, por ejemplo
el colector debe tener una superficie de 2.0 𝑚2, suguiere una inclinación del panel
solar a 30 °C. se concluye que los niveles de frio no llegan hacer menores a los -5°𝐶,
aun en los días de mejor insolación. (Beltrán, 2010)
Finalmente el ingeniero Rafael desea plantear este estudio como trabajo de grado en
la especialización, probando en campo el comportamiento de la captación solar de
la ciudad de Bogotá. El proyecto será financiado por el departamento nacional de
planeación. (Beltrán, 2010)
Desarrollo de un sistema de refrigeración para zonas Marginadas en el Africa
Emily Cummins en el año 2003, estudiante de ingenierra Desarrollo un sistema de
refrigeración para zonas marginadas en el África, utilizando el sol como fuente
energética. La nevera que ha desarrollado no necesita electricidad y puede ser
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construida con cartón y metal reciclado. El uso es sencillo, ya que los alimentos se
colocan en la cámara interior de metal y se sella. Entre la cámara exterior y la interior
se coloca tierra y agrega agua. Al calentarse el recipiente, el agua se evapora y la
temperatura en el interior es de 10 a 6 °𝐶. Al ser el agua el refrigerante para conervar
alimentos, se encunetra que las temperaturas de conservación no son muy estables,
La ingeneira en meción deja abierto un posible trabajo donde se pueda utilizar otro
tipo de refrigerante para que pueda conservar alimentos en forma eficaz, entre el
rango de 4 a 8 °𝐶. (Cummins, 2003).
El trabajo de investigación rescata que es un avance para la regíon, por tener
una forma de refrigerar alimentos sin necesidad de utilizar otros métodos. Este estudio
se ha empezado a utilizar ya en varios países africanos como Namibia, Sudáfrica,
Botswana y Zimbabwe para conservar los alimentos sin electricidad ni gas. El invento
original lo creó Mohammed Bah Abba. Otra variante perfeccionada del tradicional
botijo aplicada a la conservación de alimentos. Cabe resaltar que recibió premio por
este trabajo y piensa mejorarlo utilizando paneles solares.
Nevera solar para helados domesticos
El ingeniero Alberto Cardona, en el año 2014 presento un articulo sobre el disño de
una nevera solar para helados, el estudio se basa en conservar el producto en estado
solido, ya que por las altas temperaturas registradas en verano en Alicante España,
los comercializadores ambulantes de este producto refieren que con sus sistemas de
refrigeración poco convencionales están perdiendo su producto a lo que deriva
perdidas económicas. (Cardona, 2014).
El articulo presenta un diseño teorico, el prototipo tiene tres principales
componentes: el colector solar-generador-absorvedor, el condensador y el
evaporador. Las dimensiones del prototipo se establecieron en función de producir 3
kg de hielo, considerando la temperatura ambiente de 30 °C, la temperatura máxima
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de generación de 90 °C, la presión de condensación y evaporación en 22 kPa y 8,55
kPa, respectivamente, y la relación de equilibrio propuesta por -Astakhov. Como
resultado se obtuvo un equipo compacto con un área de colector solar de 0,374 m2,
dentro de la cual se deben introducir 5 tubos de acero inoxidable, de 76 mm de
diámetro externo, realizando la sección anular mediante una malla, con un diámetro
externo de 30 mm, y la cantidad de carbón activado deberá ser de 7,5 kg, el cual irá
distribuido a razón de 1,5 kg por el tubo. Por otro lado, la cantidad de metanol será
de 2,25 kg, el área del condensador de 0,214 m2 y del evaporador de 0,24 m2, y la
cámara de enfriamiento tendrá un volumen de 60 L. Para las conexiones se empleará
una tubería de acero inoxidable de 30 mm de diámetro externo, 5 válvulas de paso
rápido, una válvula de presión y cinco termocuplas tipo K. el agente de refrigeración
utilizado es Amoniaco y agua. (Cardona, 2014).
El prototipo posee paneles solares térmicos parabólicos, ya que este tipo de
panel capta mejor la irradiación solar, la cual va hacer transformada en energía
calórica con la finalidad de evaporar la solución aguan amoniacal.
Diseño de un sistema de refigeración por absorción usando energía solar como
fuente de energía
En este estudio, se desarrolló un análisis teórico de un ciclo de absorción de etapa
simple con intercambiadores de calor de solución y de refrigerante, en la simulación
se tendrá en consideración una cantidad significativa de parámetros de desempeño.
realizaron ensayos con cuatro mezclas binarias de pares refrigerante – absorbente. Se
variaron los parámetros de desempeño de estas soluciones y se compararon con las
condiciones de operación de las unidades del ciclo.
Los coeficientes de desempeño (COP) y la proporción de eficiencia del sistema se
compararon con un rango amplio de temperaturas de generador, absorvedor,
condensador y evaporador. La simulación del absorbedor y su representación con el
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modelo actual fue exitosa, la validez de los resultados de la simulación se estableció
al compararlos con otros estudios, mostrando una buena concordancia.
El estudio revela la viabilidad de utilizar los fluidos de trabajo NH3/LiNO3 y
R134a/DMAC en sistemas de refrigeración por absorción que utilicen fuentes de
calor de bajo potencial como alternativas a los fluidos de trabajo más tradicionales
como el LiBr/H2O y el NH3/H2O ya que los COP obtenidos fueron de 0.57 y 0.41
respectivamente.
Al efectuar el análisis de energía en este sistema, se determina que la mezcla binaria
mas apta para trabajar en conservación de alimentos con el uso de la enregía solar es
el NH3/H2O, se explica que la eficiencia en la entrada del evaporador por libra
evaporada de refrigerante es de 520 lb de amoniaco /Btu. Mientras que el agua si
actua como refrigerante esta por debajo de 45 lb agua/Btu. (Tania, 2014)
Diseño de un sistema solar por absorción:
Este artículo fue elaborado por el ingeniero Mahmoud Bourouis, explica que los
ciclos de absorción son los más factibles para acoplarse con paneles solares ya que
solo requiere energía calórica en el generador del sistema. En el análisis se menciona
que el calor generado por la rradiación solar para que la sustancia se evapore y la cual
se transforma en frio es intermitente, entonces esto conlleva a que el el rendimiento
del sistema no sea el más optimo. (Bourouis, ).
Para mejorar este problema, recomienda el uso de una bomba de calor o de un
sistemas de amoniaco agua pero con una tercera siustancia que es Hidrogeno, esto
con la fibalidad de mantener las presiones muy ajustadas en todo el sistema y de ese
modo no es intermitente. (Bourouis, ).
Usando un sistema Servel y experimentando un equipo de absorción agua-
amoniaco-hidrogeno, se determinó que el sistema mejora su capacidad de
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enfriamiento., adicionalmenmte también se puede determinar que al utilizar el
refrigerante amoniaco se garantiza que el ciclo de tefrigeración demanda menor
cantidad de energía , esto se puede identificar con un analisi binario termodinámico.
Instrumentación de un sistema de refrigeración por absorsión robur con fines
didacticos
Leonardo esteban Pacheco y Liliana Andrea Silva, En el año 2006 se elaboró una
tesis de grado titulada instrumentación de un sistema de refrigeración por absorción
robur con fines didácticos. El proyecto contiene una descripción detallada del proceso
del refrigerante y de todos los elementos consecutivos de la unidad enfriadora,
identificando los diferentes subsistemas que posee el equipo y la interacción entre
ellos. (Pacheco y Silva, 2006).
El refrigerante utilizado para este proyecto es amoniaco, para determinar que fuese
este tip de refrigerante se elaboro un análisis termodinamico, para sistemas binarios,
comparando el bromuro de litio – agua contra el amoniaco agua, en el análisis se
concluye que si requieren climatizar zonas para confort podría ser apropiado un
bromuro de litio agua, pero en caso de refrigerar es necesario el uso de amoniaco
agua, ya que este tipo de refrigerante tiene mayor eficiencia. (Pacheco y Silva, 2006).
La aplicación es un banco didáctico utilizando como ejemplo un Chiller de agua helada
de condensación por aire, llevando la planta a temperaturas de 22 °𝐶 en el caso de requerir
climatizar. Si se desea dar apoyo a un sistema de refrigeración puede llevarse la planta
hasta temperaturas de 4°𝐶 , este proyecto se sustenta con paneles solares planos térmicos.
Sistema de refrigeración solar termico impulsado por una fuente de calor de
baja temperatura.
Estudio elaborado para zonas de alta irradiación en China, bajo la autoría Tao He,
Xinyu Zhang, Kazuo Shimazu, entre otros. en este trabajo se presenta un novedoso
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sistema de refrigeración solar térmica aplicada en un edificio de oficinas típico con
máquinas de absorción de 50 toneladas de refrigeración. (Tao He, et. all, ).
Este sistema puede generar calor y frío simultáneamente utilizando un tercer
tubo. El sistema se ha modelado y optimizado con el software TRNSYS. A
continuación, los resultados del modelo y de optimización se han verificado a través
de pruebas de validación. La eficiencia energética y el rendimiento económico del
sistema también ha sido analizada en base a los resultados de la simulación. Los datos
muestran que la eficiencia promedio anual de los colectores, y la fracción solar del
sistema en el verano y el invierno, son admisibles para generar confort en las oficinas.
Los resultados de simulaciones también muestran que, en comparación con el
enfriamiento tradicional y el sistema de calefacción es una forma mucho mejor para
sustituir los sistemas tradicionales, con 5 años de periodo de recuperación dinámica.
Evaluación del portencial de uso de la radiación solar en aplicaciones de aire
acondicionado
El estudio presenta una evaluación global del potencial de uso de la radiación
solar en el aire acondicionado, con la aplicación de un edificio de oficinas situado en
Cluj-Napoca, Rumanía. El estudio se realizó durante un período de un año, sobre la
base de los valores medios plurianuales de la radiación solar y la temperatura
ambiente. Que compararon las actuaciones de dos tipos de sistemas de refrigeración
solar, uno basado en la máquina de absorción y uno de tipo fotovoltaico. Se presenta
la metodología para el cálculo de la eficiencia del campo térmico solar y del campo
fotovoltaico equivalente, colocado en la azotea del edificio, considerado
completamente lleno de tubos de vacío, colectores solares inclinados a 45 ° y con
orientación sur, fue tomada en cuenta para el campo fotovoltaico de colectores
orientados en la misma posición. Los colectores solares se disponen para evitar por
completo entre sí sombreado, para cualquier altitud solar ángulos mayores de 30 °.
La variación de un año de varios parámetros calculados se presenta junto con la
correspondiente variación en el período de (10-20) Junio. Se encontró que la fracción
20
de refrigeración solar térmica de un año es de un 24,5% y se encontró que la fracción
de refrigeración fotovoltaica un año a ser de un 36,6%
Termodinamica de investigación para desarrollo de un refrigerador solar.
El articulo elaborado en el mes de noviembre del año 2009, bajo la autoría de
Missallam, este estudio utiliza las relaciones termodinámicas básicas para diseñar un
refrigerador solar el cual es utilizado para conservar productos agrícolas. Los datos
utilizados para el cálculo son promedios cronológicos, durante un periodo de cinco
años, tomados para la ciudad de Hun ubicada en Libia. El ciclo de absorción se
compone de un generador, condensador, evaporador y absorvedor. Este lleva acabo
la eliminación de calor a través del evaporador a baja presión y rechazo de calor a
través del condensador a alta presión. Los productos se refrigeran a una temperatura
de 0 a 8 ˚C. la energía media que requiere el generador es de 4.59𝐾𝑤ℎ
𝑚2 , por día, un
consumo medio de amoniaco de 0.0279 masa de amoniaco por unidad de carbón
activado. El coeficiente censado de medio rendimiento del sistema, COP, para el año
de referencia 0.555 y se mantuvo casi constante en 0.530 en los años de comparación.
El evaporador mantuvo durante el año un consumo de operación de energía, el dato
censado final es de 2460𝐾𝑊ℎ
𝑚2 , y este no cambia durante el año. (Missallam, 2009).
Energía solar para refrigeración
Articulo elaborado en la facultad de ciencias exactas, ingeniería de la
universidad del Rosario en Argentina. Se presenta el proyecto de un sistema de
refrigeración solar consistente en una heladera comercial doméstica por absorción y
un sistema de colector concentrador cilíndrico - parabólico y tanque acumulador. Se
dimensionó para datos meteorológicos y de radiación correspondientes a la ciudad
puna jujeña. Se hizo un estudio y optimización del sistema del almacenamiento de
calor, y en el diseño del intercambiador del generador se previó una entrada auxiliar
21
de energía. Se minimizaron los mecanismos móviles del sistema para simplificar
mantenimiento y costos operativos.
Analisis termodinamico de un sistema de refrigeración solar por absorción,
usando soluciones de mono etilamina-agua para la conservación de alimentos.
Ingeniero Cesar Isaza, Isaac Pilatowsky, Rosemberg Romero y Farid Cortes
presentaron un artículo donde se hace un análisis termodinamico para un sistema de
refrigeración solar por absorción. Este trabajo presenta la viabilidad de los sistemas
de refrigeración solar por absorción usando soluciones de mono etilamina-agua
(MMA-A) para aplicaciones en conservación de alimentos de las regiones rurales de
Colombia, sin acceso a la red de energía eléctrica. (Isaza, Pilatowsky y Cortes, ).
Para suplir los requerimientos de energía térmica se pone un sistema de
calentamiento de agua con energía solar usando colectores de placa y un sistema de
respaldo convencional. En este trabajo se determinó el coeficiente de operación
(COP) del sistema de refrigeración solar por absorción de una sola etapa en función
de la temperatura en los diferentes componentes del ciclo. Los resultados indican que
el sistema podría mejorarse mediante un buen diseño en el intercambiador de calor
de solución de MMA-A puede ser usada en sistemas de refrigeración por absorción
operados con energía térmica de baja calidad, tales como la energía solar.
Sistema de refrigeración solar por absorción para climatización de edificios
El ingeniero Cesar Leonardo González salas estudiante de ingeniería mecánica
en el instituto superior minero metalúrgico de Cuba, presento una propuesta de un
sistema de refrigeración por absorción para la climatización del edificio
administrativo de la termoeléctrica de Felton, el cual se publicó en 14 de junio del
año 2014. El presente estudio se caracteriza los componentes principales que
conforman el sistema y se analizaron las metodologías de cálculo para su selección.
22
Se estableció un procedimiento de cálculo para determinación de los parámetros del
ciclo de refrigeración con ayuda del diagrama de equilibrio amoniaco-agua y a través
de balances de masas y energía se determinó la cantidad de calor, de refrigerante y de
agua que se requiere para su funcionamiento. Se determinaron las áreas de
transferencia de calor necesarias para el intercambio térmico en el evaporador,
condensador, absorvedor y generador. Se propone la instalación de tres plantas
enfriadoras de agua por absorción, alimentadas por agua caliente con capacidades de
105 kW cada una. (Gónzalez, 2014).
Diseño de un concentrador Termico parabólico para un sistema de refrigeración
por absorción
Este estudio se publico el 27 de julio del año 2010, por el ingeniero
Tashtoush, M. Jaradat y S. Al-Bader. El estudio realizado presenta el diseño de un
sistema de refrigeración por adsorción utilizando un panel térmico parabólico y
carbón activado-metanol. El módulo diseñado consiste en un tubo de vidrio, el
sistema está equipado con un concentrador solar parabólico como generador, la cama
de adsorción, evaporador, y la unidad condensadora. Se han desarrollado un
procedimiento de diseño termodinámico y un modelo matemático de un sistema de
estado estacionario con refrigerador de carbón activado. El adsorbente es calentado
por la energía solar recogida por un concentrador solar parabólico. La temperatura de
la pareja de refrigerante en el adsorbente, la cantidad de metanol. Se presentó un
diseño, donde se busca optimizar el sistema para lograr un mayor COP en el ciclo.
(Tashtoush y Al-Bader, 2010).
23
Diseño y caracterización de un concetrador térmico fotovoltaico cuasi
estacionario para integración electrónica.
Tesis doctoral bajo la autoría de Daniel Chemisana Villegas, el trabajo explica
cómo desarrollar un generador solar de concentración, diseñado con el enfoque
arquitectónico. En este estudio se propone un sistema de refrigeración activo de
circulación de fluido térmico, que cumple una doble función, en primer lugar, enfría
el modulo fotovoltaico con lo que las células trabajan a una mayor eficiencia. En
segundo lugar, este fluido extrae una determinada cantidad de calor de las células, en
torno a un 65% de la radiación que incide en el sistema, aprovechando este calor el
sistema en el colector. (Chemisana, ).
Integración de un refrigerador por absorción doméstico a un sistema de energía
solar
Este estudio se enfoca en una caracterización de un refrigerador tipo Servel, la
finalidad de este proyecto es revisar las condiciones de operación del sistema,
temperaturas adecuadas de trabajo. Se recomienda utilizar el sistema en condiciones
favorables donde stenga combustibles fosiles.
La nevera utilizada es marca Electro lux, en la caracterización del sistema se
encuentra que este tipo de equipos deben estar cargados a 25 bares, quiere decir que
la temperatura de liquido a la salida del condensador deberá corresponder a la
temperatura de saturación del amoniaco puro a 25 bares.
En el articulo se bosquejo el comportmiento de la nevera electro lux utilizando
las curvas de equilibrio de agua amoniacal, en ella se puede analizar que las
temperaturas a la salida del generador son de 170 °𝐶, con base a esa relación se puede
determinar el panel solar, que se requiere para generar energía calórica. Para
determinar la cantidad de calor que se requiere se efectua un balance de masas y de
enerías. En el estudio se deja abierta la posibilidad de hacer un análisis de exergía
24
para mejorar las condiciones de trabajo y temperatura en la salida del generador. Se
concluye que el sistema es estable y que puede trabajar en condiciones normales de
funcionamiento en zonas de alta irradiación, pero solo para conservación de alimentos
en la base de 4 °𝐶.
Refrigerador Servel en el campo Comercial
En los años 40 a los años 60 se utilizaba la absorción como un recurso para mantener
los alimentos conservados. Calentaban la solución agua amoniacal con resistencias electricas
y producían frio. Esto fue sustituido por la compresión, solo utiliza una sustancia como
refrigerante permitiendo diseñar un sistema de refrigeración con más facilidad.
Aunque pareciera que la la absorción tiene más ventajas que desventajas en la aplicación
residencial , se puede demostrar las fortalecas de esta tecnología.
La refrigeración por absorción genera bastante calor, como se vera más adelante
requiere de temperaturas por encima de los 120 ℃ en la salida del generador. En la
practica se hace necesario instalar dos rejillas de aireación al exterior y una salida de
humos por si funciona con gas. En un hotel, cocinas o en almacenes no es problema,
porque en los diseños de calidad de aire siempre se contempla extracción e inyección
de aire fresco.
Si se requiere autonomía total y se hace necesario el uso de gas requiere espacio
para instalar los cilindros, sin embargo en este estudio se demostrara que el uso de
gas no es tan costoso, tampoco ocupa mucho espacio ya que la cantidad en kg es muy
baja.
El equipo funciona con energía calórica por lo que le da autonomía, puede
funcionar con agua caliente, con gas y con radiación solar siendo esto ultimo de gran
ayuda pues el costo energético por generación de frio se reduce al no conectarse a una
toma eléctrica, cabe resltar que los sistemas de refrigeración en un edificio consumen
25
del 53 al 60% de energía eléctrica, la absorción solo requiere de fuente calórica para
funcionar.
Figura 1.1 Tendencias de consumo eléctrico en un edificio. (Autor)
El refrigerador por absorción puede influir porcentualmente en reducción de costo
energético, en establecimientos y en ausencia de energía es practico, como se menciono
anteriormente solo requiere de energía calórica para la activación del equipo, usando la
energía del sol para generar frio.
El sistema es totalmente silencioso, por eso a tomado fuerza en hoteles porque no
incomoda alos huéspedes en las horas de la noche.
Comercialmente, solo el 20% adquieren este tipo de sistema, sus clientes potenciales son:
Hoteles.
Furgonetas.
Apartaestudios.
Otros (Casas familiares e industrias que conocen la tecnología)
26
Figura 1.2 Tendencias en el mercado sobre la base del 20% de compra en
refrigeradores. (Autor)
27
CAPITULO 2
MARCO TEÓRICO
Introducción:
En el trascurso de este capítulo, se analiza el estudio teórico del refrigerador Servel
por absorción, los parámetros principales del equipo, su comportamiento para finalmente
acoplarlo a un sistema de energía autónomo como lo es la radiación solar.
El primer punto a tratar en esta sección es el funcionamiento y el tipo de sistemas,
como plantas de bromuro de litio y amoniaco agua, y realizando una expliacción más
profunda del sistema central de está investigación. se describe brevemente el tema de
eficiencia energética de los refrigeradores, tipo de refrigeradores y refrigerantes en uso, este
ultimo es la base de selección del sistema para refrigerar carga de alimentos y medicinas,
verificando la capacidad de absorción de energía en forma de calor dentro de la cava de
conservación de alimentos, la cual se encuentra en función con respecto a la temperatura
objetivo de conservación.
Finalmente se hara un análisis termodinamico por dispositivo del refrigerador,
planteando ecuaciones matematicas para determinar, flujos masicos, y energías necsarias,
como capacidad térmica de la nevera y energía reuqreida en generador que se encuentra en
función de las entalpias asociadas a las mezclas binarias.
Un punto importante es sobre como transportar la energía calórica desde el colector
solar al generador para calentar la solución agua amoniacal y separar el agua del amoniaco,
por tal razón es porfundizado en la sección central y final de este capitulo sobre los recursos
que se tienen a disposición, donde se hara una explicación de los componentes del circuito
térmico y fotovoltaico de una inststalación, fundada en ecuaciones matemáticas que
representa una planta generadora de energía, para dimensionar los captadores y celdas
fotovoltaica.
28
2.1. Sistema termodinámico de refrigeración por absorción solar:
2.1.1 Ciclo de Absorción
La refrigeración es una tecnología que tiene diversos tipos de aplicaciones a nivel
global, llegando a ser necesario en la industria de procesos de alimentos como en lo
residencial. Desde tiempos antiguos los emperadores Romanos, faraones de Egipto y reyes,
utilizaban ya el concepto de la refrigeración con métodos convencionales, desde el uso de
hielo de las montañas para conservar alimentos siendo una alternativa hasta desarmar un
palacio para llevar su estructura al desierto y pasear toda la noche los muros, con la finalidad
de climatizar la residencia del faraón.
En el tiempo actual, los sistemas de refrigeración han evolucionado hasta el grado de
lograr generar frio mediante vapores residuales con temperaturas de trabajo considerables
por encima de 130 ℃, o utilizanso sistemas electrónicos inteligentes , que permiten modular
el paso de refrigerante en distintos recintos para climatización, reduciendo el consumo de
energía, en cuanto a los grandes supermercados ,que requieren el uso de compresores de
gran magnitud para conservar y congelar alimentos.
Las empresas fabricantes de sistemas refrigeración y climatización dividen las
tecnologías en cuatro grupos.
Acondicionamiento de Aire.
Refrigeración industrial.
Refrigeración doméstica.
Refrigeración comercial
29
Todos estos grupos en su mayoría tienen en común los dispositivos que conforman el
sistema, un condensador, evaporador, válvula de estrangulación o expansión y un compresor.
En otros tipos de sistemas se retira el compresor y se utiliza un generador y absorbedor,
siendo este sistema denominado absorción.
A continuación, se efectuará una breve descripción de los sistemas, mostrando
similitudes y diferencias.
Compresión de vapor.
La refrigeración por compresión se describe como en estado ideal, donde entran
cuatro elementos básicos para su funcionamiento, condensación, expansión, compresión y
evaporación. El refrigerante entra en forma de vapor a una baja presión y una baja
temperatura al compresor, comprimiéndolo isotrópicamente hasta alcanzar la presión de
condensación, que es común mente conocido como refrigerante a alta presión, con un
aumento de temperatura.
El refrigerante se encuentra en vapor sobrecalentado, el cual ingresa en el
condensador, el refrigerante sufre una transformación, de fase vapor en estado
sobrecalentado a fase líquido en saturación.
La expansión permite que el refrigerante que se encuentre en líquido saturado pierda
temperatura alcanzando la presión de evaporación del refrigerante, donde este entra al
evaporador en fase líquida, el refrigerante absorbe la energía del espacio donde se requiere
disminución de temperatura. En este proceso, el refrigerante hierve entrando nuevamente al
compresor en estado vapor saturado para reiniciar el ciclo. (Stoecker, 1965).
Refrigeración por adsorción
La refrigeración por adsorción es similar a los componentes mecánicos de un sistema
de compresión, utiliza un condensador, evaporador y expansión. La diferencia radica en la
forma que el refrigerante en baja presión alcanza una alta presión, en fase vapor y cambiar
de estado al ingresar en el condensador. En los sistemas de absorción la energía térmica es la
30
fuerza motriz necesaria para alcanzar la presión del condensador en vez de trabajo de
compresión mecánica.
El calor suministrado en los sistemas de Adsorción puede provenir de la combustión
de gas natural, calor residual, energía solar, fuentes de geotermia o calor residual. La
diferencia de este proceso acontece en el refrigerante ya que ocurre una adehesión de
moléculas de un fluido (adsorbato) a una superficie solida (adsorbente). La cantidad
adsorbida depende de la temperatura o de la presión del adsorbente químico (Trujeque, 2010).
refrigeración por absorción.
Es importante en esta investigación comprender el proceso de absorción y los
componentes del mismo, ya que el estudio de este trabajo se considera un proceso químico
que requiere calor para hacer el trabajo de la compresión.
Los sistemas de absorción se dividen en tres grupos:
Absorción por bromuro de litio-Agua: Este tipo de sistemas utiliza como
refrigerante el R-718 (agua) y como absorbente bromuro de litio, su uso es básico es
de climatizar edificios o procesos que requiera cogeneración.
Absorción Agua Amoniaco: Este sistema es muy común para conservación de
alimentos, básicamente es aplicado cuando requiere bajas temperaturas. Las
propiedades químicas del refrigerante 717 (𝑁𝐻3), permite una mejor absorción de
energía, la cual es proporcional a reducir temperaturas en las cavas de congelación.
La eficiencia de este tipo de refrigerante es alta ya que permite reducir hasta los 60
°C bajo cero.
El sistema utiliza como absorbente agua, hace la función de un medio de transporte
para el refrigerante que se encuentra en fase gaseosa . Consideremos la figura 2.1
que bosqueja el sistema típico. En este esquema se muestra el conjunto de
generador y absorbedor, junto a elementos ya conocidos como lo son, el condensador,
evaporador y válvula de estrangulación(Stoecker, 1965).
31
Figura 2.1 Ciclo de absorción tipo. (Autor)
Partes del sistema de absorción:
Absorbedor:
El absorbedor es un recipiente que contiene solución fuerte (concentrada) de
refrigerante y de absorbente.
Evaporador:
En el evaporador contiene refrigerante que se encuentra en proceso de cambio de
estado, debido a la absorción de energía dentro de la cava de refrigeración.
32
Generador:
En el generador se aplica calor a la solución, esta solución es una mezcla entre el
refrigerante y el absorbente, la finalidad de aplicar calor es para separar el componente de
refrigerante en fase gaseosa del absorbente.
Condensador:
Permite que el refrigerante cambie de estado de gaseoso a líquido, puede utilizar
intercambio con agua o con aire, la mayoría de los sistemas son condensados por aire, dado
que comercialmente son más económicos que un condensado por agua.
Para explicar el ciclo, se utiliza como base el ciclo de absorción, agua amoniacal, es
decir que el refrigerante es amoniaco y el absorbente el agua.
El absorbente es un líquido que permite transportar el refrigerante que se encuentra
en estado gaseoso hasta el generador, se podría decir que el agua funciona como un medio
de transporte donde lleva el amoniaco de un punto a otro punto. La propiedad química del
refrigerante en fase gaseoso deja que el absorbedor capte el gas, cuando la sustancia entra al
generador, se aplica calor para que el refrigerante se desprenda como vapor a una alta
temperatura y presión. Como ambos fluidos son volátiles, es necesario separar el absorbente
a fin de que no fluya junto con el refrigerante hasta el condensador y evaporador, el punto
clave es que en el caso de la mezcla agua amoniacal el amoniaco es más ligero que el agua
permitiendo que el refrigerante pueda separarse del absorbente.
El vapor del absorbedor, que se presenta junto con el vapor del refrigerante que sale
del generador, se remueve en dos etapas, utilizando dos dispositivos llamados analizador y
rectificador. El analizador consiste en un intercambiador de calor instalado en el generador.
La solución fría procedente del absorbedor fluye a través del analizador, enfriado así la
mezcla de vapor del absorbedor y vapor de refrigerante. De esta manera se condensa parte
del vapor de la sustancia absorbente.
33
El rectificador separa líquidos miscibles volátiles en sus componentes, inicialmente una
pequeña fracción de masa de amoniaco en la fase liquida es hervida. El líquido que queda,
conforme progresa la ebullición, se vuelve escaso en amoniaco y el vapor formado se vuelve
más rico en amoniaco que la mezcla original. En ese proceso la mezcla de vapor se enfría
mediante el uso de agua fría, la cual condensa cualquier cantidad remanente de vapor del
absorbedor. El absorbedor regresa entonces al generador y el refrigerante fluye al
condensador.
Refrigerador Servel: Este tipo de sistema es utilizado para uso doméstico, su
aplicación es más para conservación de alimentos, usa como refrigerante el 717,
absorbente agua e hidrogeno en el evaporador y absorsor. El hidrogeno se utiliza con
la finalidad de nivelar presiones y evitar el uso de sistemas de bombeo.
El objetivo de esta investigación es la refrigeración solar, el sistema más apropiado es
aquel que mediante calor pueda generar frio, la absorción permite que se pueda acoplar
colectores térmicos en vez de utilizar vapores residuales o energía eléctrica.
2.1.2. Eficiencia en los sistemas de Refrigeración:
La eficiencia en los sistemas de refrigeración es importante porque se puede
comprender cuanto es el gasto real en consumo de energía eléctrica, en el momento de
producir frio, sea en un refrigerador o en sistemas de climatización. La forma de medirlo en
un sistema de refrigeración es el COP (Carrier Air conditioning company, 1978).
𝐶𝑂𝑃 =𝑘𝑊
𝑘𝑊 (2.1)
Donde:
34
COP: Coeficiente de Rendimiento dado en %.
kW: Capacidad del sistema de refrigeración.
kW: Consumo de energía para efectuar el proceso
El consumo de energía puede dividirse según sea la aplicación
Sistemas de compresión: El consumo está dado por el compresor que requiere
conexión de acometida eléctrica.
resistencia eléctrica: En sistemas de absorción domésticos aplicados a hoteles, por
ejemplo, utilizan neveras que no produzcan ruido por la activación del compresor.
La absorción requiere calor, el uso de resistencias eléctricas en el generador produce
que la solución agua amoniacal se separe.
Vapores residuales o irradiación solar: Esta en la energía calórica requerida para
que el sistema enfrié con el uso de vapores residuales o con irradiación solar.
Con la capacidad frigorífica de la nevera y el consumo energético se obtiene la eficiencia
del ciclo de refrigeración.
2.1.3. Refrigerantes del sistema de absorción:
En el párrafo anterior mencionó tres tipos de sistemas de absorción dos de ellos
utilizan el refrigerante R-717 (𝑁𝐻3), y absorbente (𝐻2𝑂) y un tercer sistema que utiliza el
refrigerante R-718 (𝐻2𝑂) y como absorbente 𝐿𝑖𝑏𝑟.
El uso del amoniaco no solo tienes ventajas sino que también tiene alguna desventaja,
pero técnicamente resueltas como veremos a continuación El amoniaco ofrece las siguientes
ventajas sobre otros refrigerantes:
1. El amoniaco no es contaminante por lo que no daña la capa de ozono. Tal es así que la
Agencia de Protección al Ambiente (EPA) ha identificado al amoniaco como un
sustituto aceptable de sustancias dañinas al ozono en los principales sectores
industriales, incluyendo la refrigeración y aire acondicionado.
35
2. El amoniaco tiene rendimientos termodinámicos en torno a un 3-10% superiores a otros
refrigerantes como el R-718, por lo que a igualdad de capacidad frigorífica tiene un
consumo energético menor.
3. La mejor característica de seguridad que tiene el amoniaco es su auto-alarma provocada
por su olor característico a diferencia de otros refrigerantes industriales. Esto tiene la
ventaja de que se detectan fácil y rápidamente las posibles fugas. Por otro lado el fuerte
olor del amoniaco provoca en los individuos la reacción de abandonar el área antes de
la existencia de una acumulación peligrosa.
4. El coste del amoniaco es menor que el de otro refrigerante y además se requiere de una
menor cantidad para la misma aplicación. Todo esto se acumula en costos de operación
menores, lo que se traduce en mejores precios competitivos de los productos refrigerados
o ahorro económico en la climatización (Manuel, 2017).
Con lo aterior se determina que para capacidades de conservación de alimentos el
amónico, tiene mejor rendimiento, dado que el hierve 33.3 ℃ grados bajo cero permitiendo
llegar a temperaturas para congelación de alimentos, en cambio el agua es aplicada para
plantas de climatización de edificios.
2.1.4. Refrigeración solar por absorción
Los sistemas de energía solar térmica producen en su gran mayoría calor para
calefacción y agua caliente sanitaria, para sistemas de enfriamiento se requiere recibir energía
de operación de una fuente de calor que puede funcionar empleando irradiación solar
transformándola en calor o vapores residuales de procesos como el de la caña de azúcar, entre
otros.
Un método de refrigeración es calentar agua o aceite dependiendo de la aplicación,
por ejemplo si se requiere climatizar edificios, oficinas, centros comerciales, hoteles y
supermercados en cuanto a confort, se utiliza un sistema de bromuro de litio más agua, en el
colector solar se hace recircular el fluido con la finalidad de transportar calor al generador,
el calor suministrado permite llegar a la temperatura de separación de la sal con el
refrigerante. Cuando la aplicación es de conservación de alimentos y congelación, se requiere
36
el mismo concepto de absorción, pero con otro tipo de refrigerante y absorbente. Para bajas
temperaturas los fabricantes como York, Trane, Carrier y Daikin siguieren el uso de
amoniaco agua.
Los sistemas de absorción para refrigeración domestica requieren temperaturas en la
salida del generador en un rango de 90◦C a 150 ◦C. en el caso de utilizar un colector solar es
necesario utilizar fluidos como aceites, que tenga un calor especifico capaz de llegar a los
rangos requeridos por el sistema. Y temperaturas de eveporación superiores a los 170◦C.
En la figura 2.2 refiere a esquemas muy comunes en la refrigeración solar. En la figura
se puede considerar el captador solar, un sistema de bombeo, el depósito de almacenamiento
y el acoplamiento al generador del refrigerador o chillers para grandes demandas de frio. El
sistema de captación solar es indirecto.
Figura 2.2 tomada del libro Calentamiento de Agua, Calefacción y refrigeración por
energía solar
Captador Solar:
Las temperaturas necesarias para que el generador del sistema se active requiere de
colectores solares de alta eficiencia a alta temperatura. El captador que se adopta en este
esquema es el colector plano, siendo este el más común en las instalaciones. Otra posibilidad
37
es el uso de captadores solares de tubos al vacío o captadores de concentración. (Molero,
2015)1.
Figura 2.3 Colector solar plano
Sistema Indirecto
El sistema indirecto o de circuito cerrado es el más habitual, hay dos circuitos
independientes (Primario y secundario). El circuito primario entrega calor al secundario a
través de un intercambiador. El circuito de consumo de aceite es independiente del primario
puede utilizarse como fluido caloportador, que tiene mejores propiedades termofisicas y
permite aumentar el rendimiento del sistema. La presión del circuito primario es inferior al
secundario para evitar la contaminación del aceite en el caso de presenciar fugas.
Equipo de absorción para conservación de alimentos
El refrigerador de absorción es un modelo Electrolux, conocido comercialmente como
Servel, este sistema se alimenta con aceite caliente producido por el colector solar. Cuando
el aceite caliente pasa por el generador, la mezcla agua amoniacal se separa, el agua cae
nuevamente al absorsor y el amoniaco se condensa dejando el refrigerante en estado líquido.
El refrigerante se expande y pasa por el evaporador de la cava de conservación de alimentos.
Captando la energía y de ese modo enfriando el producto.
38
Tanque Acumulador
El refrigerador trabaja con la producción de calor demandad por el sol, en algunas
circunstancias se puede presentar nubosidades o poca irradiación que no permita que el
sistema funcione, por tal razón es indispensable utilizar un acumulador, que permite
almacenar energía en los momentos de poco consumo o consumos nulos.
Los acumuladores verticales son los más habituales en las instalaciones térmicas
solares. Esta posición favorece a que el aceite que se encuentra a una mayor temperatura se
acumula en la parte superior del tanque y la más fría en la parte inferior, este fenómeno se
conoce como estratificación.
La estratificación permite el aporte de calor de apoyo o auxiliar, obtenido mediante
fuentes energéticas convencionales, en la parte alta del acumulador sin que esto interfiera o
perjudique el rendimiento del sistema solar. En relación con la captación de acumulación, los
volúmenes dependerán de la demanda de masa de aceite que requiere para la activación del
generador, para algunas instalaciones puede estar en un rango de un litro en adelante. Para
grandes instalaciones como agua sanitaria o calefacción de edificios puede estar entre 150
litros a 500 litros.
Los materiales para fabricar este tipos de tanques deben ser en acero al carbono o
aceros inoxidables y sus dimensiones dependerán de la densidad y masa del fluido requerido
para el funcionamiento del sistema (Trnsys, 2009).
Figura 2.4 Tanque Acumulador
39
Sistema de Bombeo:
Para desplazar el aceite por todo el circuito térmico solar, se debe utilizar un sistema
de bombeo, para neveras domesticas de conservación de alimentos, se sugiere seleccionar
bombas DC, con la finalidad de no utilizar inversores en la instalación Fotovoltaica.
Los componentes principales de este sistema son:
Generador Fotovoltaico.
Motor DC.
Bomba
Depósito de almacenamiento.
Convertidor DC/DC es opcional.
Figura 2.5 Sistema de bombeo DC para instalaciones Fotovoltaicas (Aquatek, 2016)
La energía suministrada por el generador fotovoltaico cambia de acuerdo con la
variación de la radiación solar incidente y de la temperatura a lo largo del día. El
convertidor DC/DC efectúa ajustes de impedancia entre el generador y el motor a fin de
utilizar en todo momento la máxima potencia disponible.
Panel Solar Fotovoltaico Mono cristalino
El panel solar monocristalino, cuenta con una alta eficiencia que se encuentra en un rango
del 17.96% de célula y un 15.92% del módulo, con una tolerancia ± 3%.
40
Las células solares contienen un diodo de Bypass para minimizar las pérdidas por
sombras. Vidrio templado con encapsulados EVA y película de protección frente al medio
ambiente, con marco de aluminio
Figura 2.6 Panel solar fotovoltaico Mono Cristalino (Exelsolar, 2018)
El panel solar monocristalino se compone de secciones de un único cristal de silicio,
los funcionamientos de estos paneles provienen del aprovechamiento de los fotones de la
radiación solar, estos fotones impactan sobre la superficie del panel, penetrando en este y
siendo absorbido por materiales semiconductores como lo es el silicio.
Los electrones, partículas sub atómicas que forman parte del exterior de los átomos y
que se alojan en los orbitales de energía cuantizada son golpeada por los fotones liberándose
de los átomos a los que están originalmente confinados.
Este sistema se utiliza para activar los sistemas de bombeo del instalación solar
térmica, básicamente el refrigerador sustentado por energía solar debe ser autónomo y debe
ser sustentado con energía solar. Como se mencionó anteriormente se requiere bombas para
hacer circular el fluido en el circuito térmico.
41
2.2. Sistema de absorción Servel:
Los sistemas de absorción comunes deben utilizar sistemas de bombeo para impulsar
las sustancias que sirven como refrigerante y absorción, esto funciona en condiciones
normales para una planta de refrigeración o sistema de climatización. En cambio para un
refrigerador doméstico, no es factible el uso de sistemas de bombeo, ya que el consumo de
energía aumentaría considerablemente. Una solución es usar un sistema Servel, este tipo de
refrigeración no requiere sistema de bombeo, porque es reemplazado con el uso de hidrogeno,
el hidrogeno nivela las presiones en todo el sistema permitiendo que las sustancia pueda
ciclar en la red de tuberías del refrigerador.
La condensación del refrigerante ocurre donde el amoniaco existe solo, bajo la presión
del sistema; pero la evaporación ocurre donde el amoniaco está mezclado con el hidrogeno,
de modo que el amoniaco se comporta como si existiera solo a una presión aproximadamente
igual a su presión parcial en la mezcla. Así el amoniaco se condensa a una temperatura y se
evapora a una más baja, aunque la presión total es la misma en el condensador y evaporador.
La refrigeración se logra sin el uso de un compresor o una bomba (Jones & Dugan, 1997).
Figura 2.7 configuración esquemática de una nevera por absorción-difusión (Isaza,
2015).
En la figura 2.2 representa un sistema Servel simple. El refrigerante es amoniaco, con
absorbente agua, el generador del sistema recibe calor, por lo que desprende vapor de
amoniaco. En vez de tratar de conseguir la separación del líquido y del vapor en el generador,
42
la salida del generador está proyectada para que el vapor procedente del generador arrastre
una lluvia de burbujas líquidas hasta el separador. Desde el separador el vapor va al
condensador y el líquido desagua hasta el separador. El amoniaco líquido procedente del
condensador cae al evaporador, donde recibe calor y se vaporiza. En el absorbedor la solución
débil procedente del separador absorbe el vapor procedente del evaporador. La mezcla vuelve
después al generador y allí comienza de nuevo el ciclo.
En el evaporador y el absorbedor del sistema contiene hidrogeno, el objetivo del
hidrogeno es ejercer una presión parcial que, sumándose a la presión parcial del amoniaco,
da como resultado una presión total que iguala a la presión del amoniaco y del agua en el
condensador y en el generador respectivamente. El amoniaco líquido en el evaporador puede
evaporarse a una baja temperatura debido a su baja presión parcial. En cambio, en el
condensador donde hay hidrogeno presente, la condensación se realiza a una temperatura
suficientemente alta para que se pueda ceder calor a la atmosfera. La presión total en el
sistema es casi igual para todos sus puntos.
La circulación en el sistema se realiza debido al efecto de la bomba que hace el vapor,
que eleva al líquido hasta un punto de desde el que ya puede circular por gravedad. Las curvas
en U dispuestas en el ciclo producen sifones después del separador y del condensador sirven
para mantener un cierre líquido, evitando que el hidrogeno escape de las partes bajas del
sistema. El hidrogeno es considerado para efectos de cálculo como un gas ideal.
2.2.0 Caracterización del sistema Servel:
Para caracterizar el sistema es necesario hacer un análisis termodinámico del ciclo de
absorción, tomando como base una nevera Servel maraca Dometic RH de 40 litros, diseñada
y ensamblada en Hungría. Tomando dimensiones del sistema y tipo de materiales de la
nevera, para el cálculo de carga térmica..
43
Calculo de Carga Térmica del sistema (Cesar, Estudio de la Carga Termica en
refrigeradores dómesticos para climas tropicales, 2014)
El sistema adquirido no tiene una marquilla para identificar su eficiencia o capacidad
frigorífica de conservación, la temperatura mínima registrada en la cámara es de 5 °C, por
eso se requiere hacer un análisis de carga.
En el análisis de carga de producto, se toma como base 1 kilogramo de agua, donde
se determina cuanto tiempo demora en reducir un grado centígrado en el producto. Se toma
inicialmente la masa de agua a temperatura ambiente, para la ciudad de Bogotá se censa una
temperatura de 19°C, la cual se lleva al refrigerador donde se espera un cambio, de un grado
centígrado,.
Este cambio está en función con respecto al tiempo que requiera para retirar la
energía calórica del fluido. Con los resultados del experimento se determina la capacidad de
refrigeración del sistema en kW. La tabla 2.1 bosqueja los resultados que se obtiene en el
experimento.
Toma de datos de temperaturas con respecto a un kilogramo de agua a enfriar
Tiempo del
experimento
Kilogramos
de Agua a
enfriar
Temperatura
inicial
Delta de
temperatura
experimental
Tiempo
requerido en
horas
1 día
1 Ambiente 1 °C
1 Ambiente 1 °C
1 Ambiente 1°C
1 Ambiente 1°C
Tabla 2.1 Toma de datos de temperaturas y tiempos de reducción de sustancia un grado
Para obtener la carga de producto, se usa el concepto de la primera ley de la
termodinámica, siendo representada en la ecuación 2.2.
𝑄𝑃 = �� ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑡𝑓 − 𝑡𝑖) 𝑘𝑊
ℎ𝑟 (2.2)
44
Donde:
𝑄𝑃 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑟𝑒𝑡𝑖𝑟𝑎𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 𝑎 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑖𝑔𝑒𝑟𝑎𝑟.
�� = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝐾𝑖𝑙𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠.
𝑡 = 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑟 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
𝐶𝑝 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝐾𝐽
𝐾𝐺∗𝐶.
𝑡𝑓 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎 𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑟 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
𝑡𝑖 = 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑒𝑛𝑐𝑢𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
El concepto de cálculo de carga térmica no solo depende de la cantidad de energía
que se retira del producto, también depende de la cantidad de veces que se abre la puerta del
refrigerador que se conoce como infiltración y bombillas existentes en la cámara
Infiltración:
Cada vez que se abre una las puertas de un refrigerador, tiene lugar a entrada de aire
del exterior, este efecto se llama infiltración, la cual produce un aumento de carga térmica en
el interior de la cava de enfriamiento (Pita, 2013).
Para calcular este efecto del aire infiltración sobre la perdida de calor sensible se
emplea las unidades 𝑓𝑡3
𝑚𝑖𝑛, se calcula los cambios de aire por apertura de puertas, con ello se
obtiene la carga sensible que se ingresa al refrigerador.
El carga sensible por infiltración se expresa mediante la siguiente ecuación (Pita,
Acondicionamiento de Aire Principios y Sistemas, 1994):
𝑄𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑖𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 1.1 𝑥 𝐶𝐹𝑀 𝑥 𝐶𝑇 (2.3)
Donde:
𝑄𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑖𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛: Carga sensible añadida por apertura de puertas𝐵𝑡𝑢
ℎ .
45
𝐶𝐹𝑀: Velocidad de infiltración o ventilación de aire dada 𝑓𝑡3
𝑚𝑖𝑛
CT: Cambio de temperatura entre el aire interior y aire exterior.
El efecto del aire de infiltración sobre perdida de calor latente se presenta cuando se
ingresa aire húmedo al refrigerador. Esa adición de humedad se calcula mediante la ecuación
2.4 (Pita, Acondicionamiento de Aire Principios y Sistemas, 1994).
𝑄𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 0.68 𝑥 𝐶𝐹𝑀 𝑥 (𝑊𝑖′ − 𝑊𝑝
′) (2.4)
Donde:
𝑄𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛: Calor latente necesario para el aire de infiltración dado en 𝐵𝑡𝑢
ℎ
𝐶𝐹𝑀: Velocidad de infiltración o ventilación de aire dada 𝑓𝑡3
𝑚𝑖𝑛
𝑊𝑖′ − 𝑊𝑝
′: Relación de humedad mayor (interior) y exterior (mayor) expresado en
granos de 𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑙𝑏 de aire seco
𝑔𝑟 𝑊
𝑙𝑏 𝑑.𝑎.
Tabla 2.2 Cambios de aire por hora que se presenta bajo condiciones promedio.2
Tipo de Recinto Puerta y/o vidrio sin cinta
hermética o imán
Con cinta hermética o
imán
Puerta exterior a un solo
lado
1 0.7
Doble puerta 1.5 1
Doble puerta con doble
vidrio
2 1.3
2 Tabla tomada del libro acondicionamiento de aire de Edward Pita segunda edición
46
Esta tabla puede calcular el número de cambios de aire por hora por aperturas de
puertas tanto para refrigeración como para residencial en cálculo de cargas térmicas para
climatización. (Pita, Acondicionamiento de Aire Principios y Sistemas, 1994).
Para hallar los datos de relación de humedad, se hace uso de la carta psicrométrica,
en la figura 2.9 se representa dicha carta, para encontrar la relación de humedad, se debe
tener la temperatura de bulbo seco y la humedad relativa del exterior y la humedad relativa
que se debe encontrar el producto. Como se muestra en la figura se ubican temperatura de
bulbo seco y humedad y se hace una línea horizontal hacia el lado derecho de la carta, donde
se encuentra la humedad en granos de agua, dependiendo de la temperatura seca.
Figura 2.8 líneas de ubicación de izquierda a derecha corresponde a de temperatura de
bulbo seco, humedad relativa y relación de humedad. (Pita, Acondicionamiento de Aire,
Principios y sistemas, 1994).
Para calcular la tasa de infiltración se puede emplear la ecuación 2.5. (Pita,
Acondicionamiento de Aire Principios y Sistemas, 1994).
𝐶𝐹𝑀 = 𝐶. 𝐴. 𝑥 𝑉
60 (2.5)
Donde:
C.A: número de cambios de aire por hora para el recinto a climatizar. Tomando tabla 2.2
como referencia.
V: Volumen del recinto a refrigerar.
CFM: Velocidad de la infiltración de aire en el recinto.
47
La carga total de infiltración se da mediante la ecuación 2.6.
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = (𝑄𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 + 𝑄𝑙 𝑝𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
1 𝐵𝑡𝑢
ℎ
𝐵𝑡𝑢
ℎ) × 0.0002930710 (2.6)
Figura 2.9 Carta Psicrométrica (TORELLA ALCARAZ, 2005)
Transferencia de calor por bombillo
Los bombillos disipan calor, por esta razón debe adicionarse al cálculo de carga
térmica para determinar la carga frigorífica (Pita, Acondicionamiento de Aire, Principios y
sistemas, 1994).
48
𝑄𝑙𝑢𝑐𝑒𝑠 = 𝑤 ∗ 𝐹𝐵 ∗ 𝐹𝐶𝐸 (2.7)
Donde:
𝑄𝑙𝑢𝑐𝑒𝑠: Ganancia de calor debido al alumbrado interno del refrigerador.
𝑤: Capacidad del alumbrado en Watts.
𝐹𝐵: Factor de balastra.
𝐹𝐶𝐸: Factor de carga de enfriamiento para el alumbrado.
La capacidad frigorífica total se obtiene con la suma de las cargas calculadas
anteriormente, como se describe en la ecuación 2.8.
𝑄𝑅 = (𝑄𝑃 + 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 + 𝑄𝑙𝑢𝑐𝑒𝑠) 𝑑𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑘𝑊
ℎ (2.8)
2.2.1. Consumo Generador.
El sistema de refrigeración se conecta a una acometida de corriente alterna, como
estos tipos de circuitos no se hallan en fase la ecuación 2.9 expresa la potencia real consumida
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 * FP (2.9)
Donde:
P es la potencia consumida por la resistencia en kW.
V, es el voltaje de la acometida eléctrica residencial.
I, es la corriente consumida en Amperios (A).
FP es el factor de potencia
La energía consumida por el sistema se mide con una pinza amperométrica, la unidad
es monofásica, es decir el sistema tiene un consumo en energía eléctrica en corriente alterna,
la tensión varia de la misma forma que la corriente. La resistencia que se encuentra en el
Generador es monofásica.
49
El Factor de potencia es la razón de la potencia promedio P a la potencia aparente VI,
se considera como el ángulo del coseno del ángulo que representa el cambio de fase de
corriente con respecto al voltaje (Dorf, 2003).
Tabla 2.3 Factor de potencio y ángulos de desfase (Dorf, 2003)
Carga Factor de potencia θ
Calefacción y resistencias 1 0○
Motores 0.86 30.7○
Planta 0.94 20.6○3
Temperaturas del circuito de refrigeración:
En la caracterización del sistema, se requiere conocer las temperaturas de trabajo del
circuito térmico del refrigerador, para tal efecto se toma medidas con un penta de marca Full
Gauge, el cual posee cinco sensores que permiten registrar la temperatura en los tubos, por
donde el refrigerante se desplaza. Al tener estas temperaturas y por estudios anteriores sobre
este tema, se sabe que para tener un funcionamiento óptimo de este ciclo, la presión de
condensación debe ser de 2500 Kpa con una temperatura de 58 °C y en evaporación de 236
Kpa para el amoniaco, con estos datos y las temperaturas registradas se construye el ciclo
termodinámico del refrigerador, utilizando el diagrama agua amoniacal.
Análisis Termodinámico por componente del sistema Servel:
El sistema de absorción por agua amoniaco es una opción, para hoteles, restaurantes
y aplicaciones por su bajo consumo eléctrico, bajos niveles de ruido, además este tipo de
sistema puede adoptar otro tipo de energía alternativa como la solar. Como el objetivo
principal de este trabajo es el acoplamiento de un captador solar, se requiere elaborar un
análisis termodinámico por cada elemento del refrigerador, a continuación, se describe
50
mediante balances de energía el funcionamiento del refrigerador, con el objeto de hallar flujo
másicos y el calor que requiere el generador para enlazarlo con un panel solar térmico.
2.2.2 Mezclas Binarias
Cuando se refiere a mezclas binarias se habla en particular a sustancias que son
impuras, ya que contienen dos sustancias que pueden ambas existir en más de una fase. Como
se ha descrito anteriormente el sistema Servel poseen dos sustancias (𝑁𝐻3 − 𝐻2𝑂),
hidrogeno para mantener presiones y no utilizar sistemas de bombeo. El refrigerador por
absorción es un sistema multicomponente, ya que se compone de dos fases independientes,
se puede seleccionar entre T y p, y como el equilibrio de fases, ambas fases líquido y vapor
(Green & Perry, 1980).
En La figura 2.3, X representa la fracción de masa de amoniaco y la fracción de masa
del agua es Y, el sombreado intenso que se incrementa muestra la fracción de masa del agua
que se incrementa, la curva solida representa la línea de punto de ebullición y por debajo de
ella el estado en que se encuentra la mezcla es líquido. La línea intermitente representa de
punto de condensación de la mezcla, por encima de esta línea el estado que se encuentra la
mezcla es vapor. Entre el espacio de las dos líneas se forma una especie de lenteja,
internamente la mezcla se encuentra en mezcla liquido vapor (Jones & Dugan, 1997) .
Figura 2.10 Diagrama Txy para una mezcla binaria agua amoniaco de la
Termodinámica de J.B Jones y Dugan. (Jones & Dugan, 1997)
51
R.E Dugan. (Jones & Dugan, Carta A 20, 1997).
El diagrama de la figura 2.4 enseña la composición de la mezcla binaria agua
amoniacal, se ingresa por temperatura hasta encontrar las curvas de saturación, por el eje x,
cuando la línea se intercepta con la curva de saturación se hace una línea vertical, donde se
puede determinar la composición de la mezcla binaria. Al hallar el flujo másico de la
composición binaria, que es la suma de la masa de agua y masa de amoniaco, se halla el valor
de flujo másico del amoniaco con la siguiente expresión (Jones & Dugan, 1997).
𝑥 =��𝑁𝐻3
��𝑁𝐻3 + ��𝐻2𝑂 (2.10)
Figura 2.11 Diagrama Entalpia-composición para amoniaco agua a 100 𝒍𝒃
𝒑𝒍𝒈𝟐 estado de
referencia agua líquida a 𝟑𝟐°𝑭, 𝒂𝒎𝒐𝒏𝒊𝒂𝒄𝒐 𝒍í𝒒𝒖𝒊𝒅𝒐 𝒂 𝟒𝟎 °𝑭. (MORAN, 2004)
52
Las temperaturas en el sistema son dadas en ℃. Y el grafico que permite hallar la
composición de la mezcla binaria está en ℉, es necesario hacer la conversión de unidades
para el uso del grafico, utilizado la ecuación
℉ = 1.8 × ℃ + 32 (2.11)
El uso del grafico depende del ingreso de las temperaturas de trabajo del sistema
Servel, con ellos se puede determinar la composición de la mezcla, con la ecuación 2.21.
Con la composición de la mezcla de binaria y la temperatura de entrada y salida de
cada dispositivo, se determina las entalpias de la mezcla agua amoniacal. Con la ayuda de la
figura 2.5 y el software EES se puede elaborar la lenteja donde se ubican los puntos de las
entalpias, composición, temperaturas y presiones de los dispositivos de la nevera de
absorción.
En el eje de las y se observa las temperaturas que se somete el circuito térmico del
refrigerador, en la parte interna de la figura 2.5 se lee las entalpias de vapor y líquido,
composición de vapor y presiones de saturación. Esta carta agua amoniacal se encuentra en
sistema inglés (Jones & Dugan, 1997).
Figura 2.12 Diagrama Txy para una mezcla binaria agua amoniaco de la
Termodinámica de Jones & Dugan. (Jones & Dugan, 1997)
53
TEE:
En la salida del condensador, antes de la expansión se encuentra una TEE, que
conecta el absorsor a la salida de la condensadora, del absorsor viene hidrogeno, que se
mezcla con el amoniaco en fase liquida, en la salida de la TEE se tiene mezcla de amoniaco
a alta presión con hidrogeno, para expandirse y tumbar presión y temperatura el cual entra
en el evaporador, el balance de masas se determina partiendo de la primera ley de la
termodinámica:
��𝑡 = ��𝑁𝐻3+ ��ℎ (2.12)
La ��𝑡 es la masa que sale de la tee, la cual es el resultado de la mezcla de amoniaco
en líquido e hidrogeno, la ecuación en balance de energía en la Tee es:
𝑚𝑡 ∗ 𝐻𝑡 = ��ℎ𝐻ℎ + ��𝑁𝐻3𝐻𝑁𝐻3
(2.13)
Donde:
𝑚𝑡 : Flujo masico de la mezcla total de amoniaco e hidrogeno.
𝐻𝑡: Entalpia total en fase liquida.
��ℎ: Flujo masico del hidrogeno en estado gaseoso.
𝐻ℎ: entalpia del hidrrogeno.
��𝑁𝐻3: Flujo masico del amoniaco.
𝐻𝑁𝐻3: Entalpia del amoniaco.
La entalpia total se calcula a partir de las fracciones de Amoniaco que están en el
sistema, la ecuación con referencia a la entalpia total se describe de la siguiente manera.
𝐻𝑡 = 𝑋𝑁𝐻3𝐻𝑁𝐻3
+ (1 − 𝑋𝑁𝐻3)𝐻ℎ (2.14)
54
Donde:
𝑋𝑁𝐻3= 𝐹𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑎𝑚𝑜𝑛𝑖𝑎𝑐𝑜 .
1 − 𝑋𝑁𝐻3= 𝑓𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎.
𝐻𝑁𝐻3= 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐴𝑚𝑜𝑛𝑖𝑎𝑐𝑜.
𝐻ℎ = 𝐸𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 𝑑𝑒 ℎ𝑖𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑜.
Como se nota en la ecuación 2.12 la entalpia de mezcla del amoniaco e hidrogeno,
tanto en estado líquido como en estado gaseoso, depende de la entalpia del hidrogeno. Esta
entalpia se calcula con la ecuación polinómica de los gases. La expresión se describe en la
siguiente ecuación (Kouremenos & Stegou, 1987).
𝐶𝑃 = −0.00004𝑇2 + 0,0054𝑇 + 12.25 (2.15)
Se halla el Cp. reemplazando la temperatura en el polinomio, con la cual el gas se
mezcla con el amoniaco. Al determinar el Cp. se determina la entalpia del hidrogeno, con el
uso de la siguiente expresión (Kouremenos & Stegou, 1987).
ℎ22 − ℎ21 = 𝐶𝑝(𝑇2 − 𝑇1) (2.16)
Donde:
ℎ22 − ℎ21 : Variación de la entalpia.
𝑇2 − 𝑇1: Variación de la temperatura que haya sufrido.
𝐶𝑝: Calor especifico del gas a presión constante.
EVAPORADOR:
El Balance de energía en el evaporador depende de la capacidad térmica del
refrigerador, esa capacidad está dada en sensible, puesto que el refrigerador es para
conservación de alimentos. También depende del flujo másico total de las sustancias de
55
refrigerante e hidrogeno que entran al evaporador. Cabe resaltar que el refrigerante entra en
líquido al evaporador y sale en vapor sobrecalentado a la misma presión de baja, la
representación termodinámica se describe en la ecuación quince.
��𝑅 + ��𝑇𝐻𝑇 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 = ��𝑇𝐻𝑇 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 (2.17)
Donde:
��𝑅: Calor que se absorbe en el refrigerador.
��𝑇: Masa total de la mezcla Hidrogeno Amoniaco en estado gaseoso.
𝐻𝑇 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎: Entalpia de la sustancia en fase liquida.
𝐻𝑇 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 : Entalpia de la sustancia en fase Vapor.
Al despejar la expresión en función del flujo másico total, la expresión resulta:
��𝑇 =𝑄𝑅
𝐻𝑇 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 − 𝐻𝑇 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎 (2.18)
La entalpia 𝐻1 es la combinación de las sustancias de Amoniaco e hidrogeno, pero
difiere de la 𝐻𝑇, por el estado que se encuentran, por ejemplo, la 𝐻𝑇 está en estado líquido
por lo tanto 𝐻1se encuentra en estado gaseoso. Para calcular esta entalpia utilizamos la
ecuación once, tomando datos de las tablas de saturación del amoniaco en estado gaseoso.
Se puede deducir que con la ecuación número doce obtiene el flujo másico del amoniaco y
con la ecuación número nueve podemos obtener el flujo másico del hidrogeno.
PRESIÓN PARCIAL
Como se ha descrito anteriormente, el refrigerador Servel tienen la misma presión en
todos sus dispositivos por la presencia de hidrogeno. Para conocer los estados del refrigerador
Servel, se utiliza el concepto de presiones parciales. Con ello se determina la composición
de hidrogeno y amoniaco que se encuentran en el evaporador y absorsor. Esto se puede
expresar matemáticamente, como se muestra en la siguiente expresión (Cesar,
56
INTEGRACIÓN DE UN REFRIGERADOR POR ABSORCIÓN DOMÉSTICO A UN
SISTEMA DE ENERGÍA SOLAR, 2015).
𝑃𝑝 = 𝑋𝑃𝑡 (2.19)
Donde:
𝑃𝑝 Es la presión parcial del refrigerante o el hidrogeno.
𝑃𝑡 Es la presión parcial total que compone el refrigerante y el hidrogeno que se encuentra en
el sistema.
X Es la fracción de cada sustancia que la compone (Hidrogeno y Amoniaco)
EXPANSIÓN:
El diagrama termodinámico es la guía, para determinar las condiciones del estado del
refrigerante, al verificar la línea de expansión se determina que la entalpia de condensación
es equivalente a la entalpia total de la sustancia que sale hacia válvula de expansión. La
ecuación número catorce describe el estado de la sustancia.
𝐻𝑡 = 𝐻𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 (2.20)
RESERVORIO:
En la botella recibe el gas que viene del evaporador y el flujo de agua que viene del
separador del equipo, el hidrogeno por ser más liviano sube al absorsor dejando la botella
solo con agua líquida que a su vez absorbe el amoniaco que se encuentra en estado gaseoso.
El estado termodinámico se representa en la siguiente ecuación (AL-SHEMERI, 2003).
��𝑏𝑖 × ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒 = ��ℎ2 × ℎℎ2 + ��𝑏𝑖 × ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑟𝑖𝑐𝑎 (2.21)
Donde:
��𝑏𝑖: flujo masico de la mezcla binaria agua amoniacal.
ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒: Entalpia de la mezcla agua amoniacal que ingresa al reservorio, con bajo
contenido de amoniaco.
57
ℎℎ2: Entalpia del hidrogeno que retorna al absorsor.
ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑟𝑖𝑐𝑎: Entalpia de la mezcla agua amoniacal que sale del reservorio, con alto
contenido de amoniaco en la mezcla agua amoniacal.
Al despejar la ecuacón en función de la mezcla binaria, se determina el flujo masico
del hidrogeno.
��ℎ2 = 𝑚𝑏𝑖 ×ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒 − ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑟𝑖𝑐𝑎
ℎℎ2 (2.22)
Intercambiador de Calor:
En la figura 2.13, bosqueja la conexión del intercambiador de calor en la entrada del
generador. Este intercambiador de doble tubo (AL-SHEMERI, 2003)
58
Figura 2.13 esquema nevera Servel Electrolux. (Isaza, 2015)
El punto seis de la figura 2.13, se ve que se traslada el flujo masico de la mezcla agua
amoniacal hasta el punto 7a, que es la entrada del genetrador. Ese esepcaio es el tubo interno
del intercambiador de calor. Del punto 8 al punto 7b es el tubo exterior del intercambiador
de calor. Del punto 7b al punto 8 se traslada la mezcla pobre en amoniaco al absorsor. El
agua puede trasladarse debido a la presencia de hidrogeno, que produce un efecto de
nivelación de presiones, logrando que el agua se traslade hasta el absorsor, punto 9b de la
figura 2.13 (AL-SHEMERI, 2003).
59
El balance termodinamico para el intercambiador de calor de doble tubo y tomando
como base la figura 2.13 para la deducción de la ecuación 2.23 (AL-SHEMERI, 2003):
m8 × hbi en 8 + m6 × hbi en 6 = m7 × hbi 3n 7b + m7a × hbi en 7a (2.23)
Se pude deducir que los flujos masicos que se encuentran en el punto 8 y el punto 7b
es la misma corriente de agua amoniacal y el flujo masico en el punto 6 y el punto 7ª es la
misma corriente binaria que ingresa al generador (AL-SHEMERI, 2003).
��8 = ��7𝑏 = ��𝑏𝑖 a la temperatura de entrada del abosrsor.
��6 = ��7𝑎 = ��𝑏𝑖 a la temperatura de entrada al generador.
mbi × (h8 − h7b) = mbi × (h7a − h6) (2.24)
Separador:
Al salir la mezcla agua amoniacal del generador, el separador se encuentra con un
desnivel, para que el agua retorne al absorsor con un poco de amoniaco. El resto de amoniaco
puro por ser más liviano químicamente se desplaza al condensador, para empezar
nuevamente con el ciclo de refrigeración (EBRAIT CABRERA, 2015).
��𝑏𝑖 × ℎ𝑏𝑖 𝑠𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = ��𝑏𝑖 × ℎ𝑏𝑖 𝑒𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑜𝑠𝑜𝑟 + ��𝑁𝐻3 × ℎ𝑁𝐻3 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 (2.25)
Al despejar la ecuación en función del amoniaco se obtiene la siguiente expresión:
��𝑁𝐻3 =��𝑏𝑖(ℎ𝑠𝑖 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 − ℎ𝑏𝑖 𝑒𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑜𝑠𝑜𝑟)
ℎ𝑁𝐻3 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 (2.26)
Al determinar el flujo másico del amoniaco puro que llega al condensador, se
determina el flujo másico de hidrogeno que se encuentra en el sistema, utilizando la ecuación
2.10
��ℎ = ��𝑇 − ��𝑁𝐻3 (2.27)
60
GENERADOR:
Como se ha explicado antes el generador recibe calor con la finalidad de desprender
vapor de amoniaco, lo que se busca es separar el agua del refrigerante, lo importante es
conocer la cantidad de calor que se requiere para producir tal efecto, a continuación, se
describe el estado termodinámico, con el uso de la primera ley.
��𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = ��𝑏𝑖(ℎ𝑏𝑖 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 − ℎ𝑏𝑖 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑚𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟) (2.28)
Se debe considerar que tanto las entalpias 𝐻𝐵 , entalpia a baja presión y 𝐻𝐵 a alta
presión, estas entalpias se hallan con el uso del software EES. Con el dato de las entalpias y
el flujo másico de la entalpia binaria se halla el calor del generador, con este dato se determina
el captador solar que se requiere.
Donde:
��𝑏𝑖: flujo másico de la mezcla binaria amoniaco agua.
ℎ𝑏𝑖 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟: Entalpia binaria de la mezcla amoniaco agua en la salida del evaporador.
ℎ𝑏𝑖 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟: Entalpia de la mezcla amoniaco agua en la entrada del evaporador.
��𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟: Calor necesario para funcionamiento del refrigerador Servel.
CONDENSADOR:
𝑄𝑐 = ��𝑁𝐻3(ℎ𝑁𝐻3 𝑒𝑛 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 − ℎ𝑁𝐻3 𝑒𝑛 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑎) (2.29)
61
ABSORSOR:
Para determinar el calor que rechaza el absorsor, se hace un balance de energías en el
refrigerador, la expresión se bosqueja a continuación (Cesar, INTEGRACIÓN DE UN
REFRIGERADOR POR ABSORCIÓN DOMÉSTICO A UN SISTEMA DE ENERGÍA
SOLAR, 2015) :
𝑄𝑎𝑏𝑠 = 𝑄𝑅 + 𝑄𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 − 𝑄𝐶 (2.30)
Donde:
𝑄𝑎𝑏𝑠: Calor rechazado por el absorsor.
𝑄𝑅: Carga del refrigerador.
𝑄𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟: Calor necesario para el funcionamiento del refrigerador.
𝑄𝐶: Calor rechazado por el condensador.
PROPORCIÓN MEZCLA AGUA AMONIACO:
En el diagrama de entalpia, composición y temperatura de la figura 2.11, permite
determinar la composición de la mezcla agua amoniacal en el sistema, para determinar el
flujo másico del amoniaco y agua en cada estado termodinámico, se utiliza la ecuación 2.10,
en ella se expresa la relación entre la cantidad de amoniaco frente a la mezcla binaria, que es
la suma del flujo másico del amoniaco y flujo másico del agua (Jones & Dugan, 1997).
𝑥 =��𝑁𝐻3
��𝑁𝐻3 + ��𝐻2𝑂 (2.31)
Al despejar la formula en función del flujo másico de amoniaco, la relación queda de
la siguiente manera:
��𝑁𝐻3 = 𝑥 × (��𝑁𝐻3 + ��𝐻2𝑂) (2.31)
Como ��𝑁𝐻3 + ��𝐻2𝑂 es equivalente a decir ��𝑏𝑖, entonces la ecuación se expresa en
términos de flujo másico binario.
62
��𝑁𝐻3 = 𝑥 × ��𝑏𝑖 (2.32)
Para determinar el flujo másico en los diferentes estados termodinámicos, se expresa
la relación de la siguiente manera.
��𝐻2𝑂 = (��𝑁𝐻3
𝑥) − ��𝑁𝐻3 (2.33)
2.3 Sistema Captación solar:
Colector térmico: el dispositivo principal del sistema es el colector solar. Este
dispositivo es también denominado captador, este elemento permite la transferencia de calor
que es producida por la irradiación solar. La energía captada es transferida al fluido operante
que es un transporte de calor hasta el absorsor del sistema Servel (Yogi, 2015).
El principio básico de un colector solar es que cuando la radiación golpea una superficie una
parte de esta es absorbida, de este modo crece la temperatura de la superficie intercambiando
calor con fluidos, que pueden ser aire o líquido, puede ser agua o aceites. Otra parte de la
radiación solar es reflectada y si el material es transparente como un vidrio una parte de la
radiación es transmitida, tal como se describe en la figura 2.14 (Yogi, 2015).
4
Figura 2.14 Transición de Calor. (Yogi, 2015)
63
Donde:
𝜏: Transmisión.
𝛼: absorción.
𝜌: Relectancia.
Cuando la radiación en su mayoría es reflectada es uniforme la distribución entra en
toda dirección y esto se denomina radiación difusa.
La eficiencia del colector no solo depende de la energía absorbida sino también de
cómo se pueden minimizar las pérdidas de transferencia de calor y del entorno aprovechando
en lo máximo la energía útil. Existen varios tipos de colectores solares, cada uno se diferencia
en los rangos de operación en temperatura, en la tabla 2.4 relaciona una lista de varios
colectores solares térmicos, donde muestra sus rangos de temperatura y rangos de
concentración (Cuervo, 2011).
Tabla 2.4 tipos de colectores solares y rangos de trabajo de temperatura (Yogi, 2015).
Tipo de colector Proporción de
concentración
Rangos de temperatura de
trabajo del colector en ℃
Colector plano 1 ≤ 70
Colector plano de alta
eficiencia
1 60-120
Concentrador fijo 3-5 100-150
Colector cilindro parabólico 10-50 150-350
Colector plato parabólico 200-500 250-700
Colector recibidor central 500 a >3000 500 a >1000
64
2.3.1 Tipos de Colectores
Colector plano:
Figura 2.15 Colector solar plano. (Duval)
Es muy común trabajar con colectores planos o colectores planos de alta eficiencia,
el cilindro parabólico y parabólico son muy comunes en generación de energía ya que estos
puedes captar mayores temperaturas que son necesarias para generar combustión en una
caldera de un ciclo Rankine. A continuación, se hará una breve explicación del colector
plano y de cada uno de sus componentes.
El colector de plato plano consta de una superficie denominada absorsor usualmente
la superficie es de color negro, ya que capta mayor energía, el absorsor puede ser de vidrio,
ya que las propiedades que tiene le vidrio para transferencia de calor son bastante alta, en la
tabla 2.5 se muestra algunas propiedades en cuanto a transferencia de calor (Cuervo, 2011).
.
El colector posee un circuito de fluido térmico, que son tubos por donde intercambia
calor con la radiación solar, un aislamiento térmico y en algunos casos trae la caja protectora,
en la figura 2.14 muestra las principales partes del captador solar (Cuervo, 2011).
65
5
Figura 2.16 Esquema de colector solar plano. (Duval)
2.3.2 Irradiación solar:
La irradiación es la medida que expresa la energía incidente por unidad de área, dada
la magnitud en 𝐾𝑊ℎ
𝑚2 , en instantes de tiempo según la zona.
Alrededor del 60% de energía alcanza la superficie de la tierra, el resto es reflejado
de vuelta al espacio y absorbido por la atmosfera. A la irradiancia solar incidente sobre la
superficie terrestre se le conoce como radiación directa, la que llega sin cambio de dirección
y sin interactuar con algún elemento atmosférico, es la que se presenta en un día soleado
(UPME, 2005).
Cuando la radiación solar al pasar por la atmosfera experimenta importantes cambios
debido a tres procesos principalmente: Absorción, difusión y reflexión. En la atmosfera el
principal causante de esto son las nubes, por lo que dependiendo del tipo de nube y de la
cantidad de ellas que cubran la cúpula celeste la radiación puede llegar muy atenuada. En
esta investigación se efectúa un análisis del comportamiento de la irradiación solar en el
sistema de refrigeraciones Servel por absorción, calculando la eficiencia del sistema en
condiciones no tan ideales.
66
La irradiación solar de las zonas no interconectadas de Colombia, como los datos
climatológicos y ángulos solares de dichas zonas, se tomaran del software de simulación
TRNSYS. Con el simulador se efectuara un análisis de eficiencia del sistema de refrigeración.
2.3.3 Fluido para el circuito del colector térmico:
El medio para transportar el calor en el circuito del colector solar debe ser capaz de
transferir calor al generador de la nevera de absorción, esto se hace con la finalidad de llegar
a la temperatura de salida del absorsor que es de 130 ◦C. (Cuervo, Méndez y Berau Veritas
Bussines School, 2011).
Los aceites con un CP y una temperatura de evaporación alta permiten alcanzar la
temperatura de salida del absorsor, para ellos se referencias tablas de los aceites más comunes
donde ya empresas como Repsol ha medido el CP y las temperatura de evaporación. Se
compara cuatro tipos de aceite.
Aceite motor sin usar.
Aceite de glicerina.
Aceite de glicol.
Aceite de transformador.
Con los datos tomados de las tablas, se calcula con el uso de la primera ley de la
termodinámica, el aceite más eficiente, para la aplicarlo en el circuito del colector solar.
𝑄𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = 𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 × 𝐶𝑃𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 × ∆𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 (2.34)
67
Tablas 2.5 con propiedades de los aceites:
(https://drive.google.com/file/d/0B6eWgpBA_4yTT2hzRVA1bVh5Njg/view?usp=sharing,
s.f.)
2.3.4 Selección sistema solar termico:
El rendimiento térmico de cualquier colector solar puede evaluarse mediante un
balance de energía que determina la parte de la radiación que entrega como energía útil al
fluido de trabajo. Para un colector plano que es el objeto de este estudio, se puede expresar
mediante la ecuación 2.35.
��𝑢 + ��𝑎 = ��𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑠𝑜 − ��𝑝 (2.35)
Donde:
��𝑢: Es la potencia útil que absorbe el fluido que transporta calor, dado en W.
��𝑎: Calor de almacenamiento dada en W.
��𝑝: Potencia calórica requerida en el absorsor dada en W.
��𝑝: Trabajo de la bomba dada en W.
La eficiencia del colector solar depende de la energía útil del captador, frente al área
y la irradiación solar de la zona done el sistema se va a instalar, en la ecuación 2.24 se expresa
la ecuación.
68
𝜂𝑐 = (��𝑈
𝐴𝑐 × 𝐼𝐶) (2.36)
Donde:
��𝑢: Es la potencia útil que absorbe el fluido que transporta calor, dado en W.
𝜂𝑐: Eficiencia del colector solar.
𝐴𝑐: Área del colector dada en 𝑚2.
𝐼𝐶: Irradiación de la zona.
En la práctica, la eficiencia debe medirse durante un período de tiempo infinito. en
una prueba de rendimiento estándar, este período es del orden de 15 o 20 minutos, mientras
que, para el diseño real, el rendimiento estará en un periodo de un día o más, al hacerlo vamos
a tener para la eficiencia promedio del panel. Los fabricantes ya han hecho estas mediciones
pertinentes según la norma EN12975. A continuación, se relaciona una ficha técnica donde
se muestra la eficiencia del colector solar sus características.
69
6
En la ficha técnica relaciona las eficiencias
(Cuervo, Méndez y Berau Veritas Bussines
School, 2011).
Figura 2.17 Ficha técnica Colector solar. (Duval)
ηC = η0 − (k1 × (Tm − Ta)
I) − (
k2 × (Tm − Ta)2
I) (2.37)
2.3.5 Análisis termodinámico del colector solar:
El sistema de refrigeración por absorción Servel se conecta como fuente de energía a
un sistema solar térmico y fotovoltaico, el sistema aparte del colector térmico se conforma
de los siguientes elementos:
70
Tanque de almacenamiento: acumula la energía del fluido caliente, el cual se
desplaza al generador del sistema de refrigeración para calentar la mezcla binaria agua
amoniacal, el efecto que produce es separar el absorbente que en este caso es el agua con el
amoniaco que s e encuentra en estado gaseoso. Por la parte inferior del tanque entra el fluido
que transporta el calor a más baja temperatura, dado que retorna del generador del sistema
de absorción. Por la parte superior del tanque entra el fluido a una alta temperatura debido a
que ha ganado calor al pasar por el colector solar (Cuervo, Méndez y Berau Veritas Bussines
School, 2011).
Bomba de circulación: este elemento hace circular el fluido desde el tanque al
colector solar, como el sistema es autónomo, si necesidad de conectarse a una fuente de
energía, la bomba es corriente directa, para que sea más fácil integrarlo con el panel solar
fotovoltaico. (Cuervo, Méndez y Berau Veritas Bussines School, 2011).
Panel solar fotovoltaico: los módulos fotovoltaicos funcionan por el efecto
fotoeléctrico, cada celda fotovoltaica está compuesta de al menos dos delgadas láminas de
silicio. Este dispositivo se conecta al sistema de bombeo del circuito del colector solar, donde
este elemento suministra energía a la bomba. (Cuervo, Méndez y Berau Veritas Bussines
School, 2011).
Balance de energía del colector solar:
La figura 2.18 es el volumen de control en estado estacionario por lo que el termino
de variación temporal es nulo. Para determinar el área del colector y la energía necesaria del
sistema.
71
Figura 2.18 volumen de control del sistema de captación de energía. (Autor)
El balance del colector solar teniendo en cuenta la figura 2.18, queda expresada de la
siguiente manera:
El flujo masico del circuito primario
𝑄𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 = ��𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝜌𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 (2.38)
Donde:
𝑊𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎= Trabajo de la bomba dada en W
��𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = Flujo másico del aceite dado en 𝐾𝑔
𝑠
ℎ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = Entalpia del aceite dado en 𝐾𝐽
𝐾𝑔
Tomando la ecuación 2.24 y reemplazando en ella las expresiones 2.35, 2.36, 2.37 y la 2.38
el balance termodinámico esta queda expresada en la ecuación 2.39.
𝐴𝐼
𝜂𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙
+ 𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒𝐶𝑃𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒∆𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = ��𝐵(ℎ𝐵 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 − ℎ𝐵 𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎) + ��𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒ℎ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 (2.39)
Donde:
𝐴 = Área del panel dada en 𝑚2.
72
𝐼= Irradiación de la ciudad 𝑘𝑊ℎ
𝑚2.
𝑚𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = Masa de aceite, expresado en 𝐾𝑔
ℎ.
𝐶𝑃𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = Calor especifico del aceite expresado en 𝐾𝐽
𝐾𝑔 °𝐶.
∆𝑇𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = Diferencial de temperatura expresada en ° 𝐶.
��𝐵 = Flujo másico de la mezcla binaria dado en 𝐾𝑔
ℎ.
ℎ𝐵 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 = Entalpia para alta temperatura
ℎ𝐵 𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎= Entalpia para baja temperatura
��𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = Flujo másico del aceite dado en 𝐾𝑔
𝑠
ℎ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = Entalpia del aceite dado en 𝐾𝐽
𝐾𝑔
Con la ecuación 2.26 se halla el flujo masa de aceite que se requiere en el colector
solar, el cual está dependiendo del calor generador que se expresa en la ecuación 2.20, de
este balance se puede despejar el área requerida.
2.3.6 Tanque acumulador:
Para el almacenamiento de la sustancia, en este caso el aceite, se requieren tener en
cuenta los parámetros importantes en un sistema de almacenamiento, esto incluyen la
duración del almacenamiento, la densidad de energía o energía específica del sistema, y las
características de carga y descarga (almacenamiento y recuperación). La velocidad de carga
y descarga del aceite depende de las propiedades termofisicas, como la conductividad térmica
y el diseño del sistema de almacenamiento. Uno de los puntos críticos de las instalaciones de
energía solar es ajustar la producción energética del sistema y atender las demandas
energéticas de los puntos de consumo asociados a este tipo de instalaciones. No siempre es
posible captar energía solar y al mismo tiempo satisfacer los consumos, por ello es necesario
emplear una estrategia generada durante aquellos periodos del día en que la radiación solar
73
así lo haga posible, para poder disponer de ella en cualquier momento. (Cuervo, Méndez y
Berau Veritas Bussines School, 2011).
En este proyecto se va a utilizar un depósito Inter acumulador, el cual su
intercambiador de calor está en su interior, el cual puede estar dotado de un serpentín. Es
recomendable utilizar este tipo de acumulador porque estos están diseñados para
instalaciones de menor envergadura, que es el caso de esta investigación.
Para provocar un mejor funcionamiento en la instalación solar, el depósito ha de
estratificar aceite en su interior, es decir debe formarse capas de aceite de manera que el
aceite más frío está en la parte inferior del depósito y la más caliente en la parte superior.
Está estratificación se produce porque el aceite tiene diferentes densidades a diferentes
temperaturas y se mantiene mientras si no existen corrientes dentro del depósito ocasionadas
por las tomas de entrada y salida.
La estratificación es muy necesaria por dos motivos:
En la parte inferior se necesita la temperatura más baja posible ya que esto favorece
el intercambio de calor entre el circuito primario y el aceite acumulado, lo que
aumenta el rendimiento de los captadores solares. Cuando más frío este el aceite que
entra en los captadores solares más energía capta.
En la parte superior se precisa la temperatura más alta que se pueda puesto que de
este punto se toma el aceite para atender la demanda requerida por el generador de la
nevera Servel.
Los materiales recomendados para la construcción de los acumuladores son seis tipos,
pero el que recomienda en este proyecto es el de acero inoxidable ya que es adecuado para
ambientes hostiles y húmedos.
Para el dimensionamiento del acumulador se tienen en cuenta el volumen total que
circula en el circuito del colector solar y la densidad de este.
La ecuación 2.27 permite relacionar la masa de aceite que se encuentra en el circuito
solar con respecto al volumen, la densidad se toma de tablas de empresas que procesan los
74
aceites y ya tienen calculada la densidad, el CP y la temperatura de evaporación. La masa se
obtiene del balance de energías del circuito solar.
𝜌𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 =𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
𝑣𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (2.40)
Donde:
𝜌𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = densidad del aceite dada en 𝐾𝑔
𝑚3
𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = masa del aceite expresada en 𝑘𝑔
ℎ
𝑣𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = Volumen del Tanque expresado en 𝑚3
Al despejar la ecuación 2.27 se obtiene el volumen del tanque, para determinar las
dimensiones se utilizan ecuaciones que relacionen la geometría de un cilindro circular recto
y una esfera.
𝑉𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜋 × 𝑟2 × ℎ (2.41)
Donde:
𝑣𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = Volumen del Tanque expresado en 𝑚3
𝑟2= radio del tanque.
ℎ = longitud del tanque.
Para determinar el radio del tanque se utiliza la formula geométrica de una esfera, como se
relaciona en la ecuación 2.29.
Vvolumen total de la esfera =4
3πr3 (2.42)
Donde:
𝑣𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = Volumen del Tanque expresado en 𝑚3
𝑟3= radio del tanque.
75
De la fórmula 2.40 se obtiene el volumen total del tanque, con el valor calculado, se
despeja el radio de la ecuación 2.41. al tener el radio del tanque se calcula la longitud del
acumulador, el cual se expresa por la letra h de la ecuación 2.42.
2.4 sistema de captación solar fotovoltaico:
En esta sección se analiza el diseño y dimensionamiento de un sistema fotovoltaico,
puntualmente para el caso de energizar una bomba para impulsar el aceite en el circuito del
colector solar, la potencia del sistema de bombeo depende de la ecuación 2.27.
El sistema fotovoltaico se compone de un generador fotovoltaico, un regulador de carga
y un banco de batería. Como el sistema de bombeo es en DC, no es necesario instalar un
inversor o convertidor, a continuación se explica muy brevemente la función de cada
elemento (Aguirre & Barrios, 2016).
Regulador de carga: Este elemento es el encargado de controlar la sobre carga y sobre
descargas de la batería, contiene un punto seguidor de máxima potencia por su
abreviatura MPPT. Este elemento asegura que la energía máxima generada por el
arreglo fotovoltaico, sea extraída en todos los instantes sin efectuar la vida útil de las
baterías.
Banco de baterías cumple la función de almacenamiento de energía, en el dado caso
que se tenga poca irradiación, la batería es capaz de energizar el sistema de bombeo
del circuito del colector solar.
Celda fotovoltaica es una célula solar, la cual al exponerse a la luz solar genera pares
eh, cada uno de estos pares constituye en potencial electrón circulando por el circuito
exterior. Asociado a este proceso se tiene otro denominado proceso de
recombinación (r), cada proceso de recombinación aniquilará uno de los pares eh
generados y por lo tanto tendremos un electrón menos disponible para circular por el
circuito exterior. De ahí que se hable del mecanismo de recombinación con un
mecanismo de pérdidas para la célula.
76
Por la célula recorre una corriente, por lo tanto ella produce una caída de tensión en
las resistencias del panel generando una potencia en W en corriente directa,
permitiendo energizar un sistema (Aguirre & Barrios, 2016).
2.4.1 Pérdidas en un sistema Fotovoltaico:
Las pérdidas en un sistema fotovoltaico se tienen en cuenta para elegir la energía que
se va a generar. Conforme al resultado de las pérdidas se puede tomar medidas dentro del
dimensionamiento para reducirlas.
El generador fotovoltaico produce perdidas debido al efecto de la temperatura. En la
literatura se menciona pérdidas del 4% por cada 10 °C por encima de la temperatura de
operación nominal (NOCT). La temperatura de operación nominal de la célula, es aquella
temperatura que alcanza la célula a condición de 800 𝑊
𝑚2, velocidad del viento de 1 𝑚
𝑠2 a una
temperatura ambiente de 20 °C.
En la ecuación 2.32 determina la temperatura de la célula fotovoltaica (Aguirre &
Barrios, 2016).
𝑇𝑐 = 𝑇𝑎 + (𝑁𝑂𝐶𝑇−20
800) ∗ 𝐼 (2.43)
Donde:
𝑇𝑐: Indica la temperatura de operación de la célula.
𝑇𝑎: Representa la temperatura ambiente del lugar.
NOCT: es un valor dado por el fabricante que está entre los 45° a 49 °C
𝐼: Irradiación solar.
Para determinar las pérdidas en un panel solar fotovoltaico, se utiliza la ecuación 2.33,
está expresión se puede usar de igual manera para determinar el efecto de la temperatura
sobre la corriente de corto circuito y voltaje de circuito abierto del módulo:
77
𝑃𝑇 = 𝑃 ∗ (1 +𝛿
100∗ (𝑇𝐶 − 25°𝐶)) (2.44)
Donde:
𝛿: es el coeficiente de degradación por temperatura correspondiente a la potencia pico del
módulo fotovoltaico.
𝑇𝐶: Temperatura de operación de la celda.
𝑃𝑇: Pérdidas totales en el panel.
2.4.2 Diseño por energía del sistema fotovoltaico autónomo
La demanda de energía provee información sobre las características de la carga. Tales
son el uso horario diario, la potencial nominal y la naturaleza de la carga DC. Para el cálculo
optimo se tiene en cuenta la energía determinada por el consumo en DC, teniendo en cuenta
para este último, la eficiencia del inversor porque un sistema fotovoltaico genera en DC.
En la ecuación 2.32 y 2.33, se describe el proceso para determinar la energía de las
cargas DC. Para las ecuaciones, donde n significa el número de horas de uso diario y η es la
eficiencia del inversor dada en la ficha técnica de especificación que facilita el fabricante. En
la ecuación 2.34 permite calcular la energía necesaria en DC.
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐷𝐶 = ∑(𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝐷𝐶 ∗ 𝑛) (2.45)
𝑛
𝑖=1
Las pérdidas se deben tener en cuenta, esto es para asegurar la energía para el sistema
de bombeo y el factor de seguridad que está en un rango de 0.1 y 0.2 , en la ecuación 2.35
expresa la energía que se debe suministrar (Aguirre & Barrios, 2016).
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑆𝑢𝑚𝑖𝑛𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐷𝐶(1 + 𝐹𝑠) 𝐷𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 (𝑊ℎ − 𝑑í𝑎) (2.46)
78
2.4.3 Cálculo de módulos Fotovoltaicos:
La cantidad de módulos fotovoltaicos se determina por la relación entre la potencia
pico del generador, para calcular esta potencia se usa la fórmula 2.36.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑟
𝐻𝑆𝑆 (2.47)
Con la potencia de pico del generador se calcula el número de paneles y con la
potencia del módulo que es dada por el fabricante, la ecuación 2.37 expresa el número de
paneles (Aguirre & Barrios, 2016).
# 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 (2.48)
2.4.4 Cálculo del Banco de baterías
En el dimensionamiento del banco de baterías, se debe tener en cuenta dos aspectos,
los días de autonomía y profundidad de carga (Aguirre & Barrios, 2016).
El cálculo se inicia con la capacidad del sistema equivalente en corriente expresado
por la ecuación 2.38.
𝐶𝐼𝑎ℎ =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑜
𝑉𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 (2.49)
El dimensionamiento del banco de baterías que se conecta en serie está determinada
por la ecuación 2.39, la cual indica una relación entre el voltaje del sistema y el voltaje de
operación de la batería. (Aguirre & Barrios, 2016).
𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑎 (2.50)
79
Capítulo 3
Análisis del sistema
Introducción
El objetivo de este capitulo es caracterizar el sistema servel, para entender el
comportamiento termodinamico dimensionado en el sub tema 3.2 titulado dimensionamiento
del sistema y la cantidad de energía requerida en el generador para activar el sistema. La
caracterización consta de toma de temperturas en el circuito de refrigeración en el laboratorio
de la universidad Tecnologica Distrital.
Con el registro de temperatura se determina los estados termodinámicos del
refrigerador y adicionalmente la capacidad del sistema para determinar la eficiencia del
mismo.
Se efectua un código programado en el software EES el cual se encuetra en los anexos
de este investigación, que describe el comportamiento de la nevera y de ese modo obtener
los parámetros en cada punto del refrigerador, como sus entalpias, flujos masicos y presiónes
de trabajo del equipo. Al determinar la demanda de energía del generador se compara con las
medidas tomadas en el laboratorio.
Con la demanda energética calculada en la sección 3.5.1 bajo el subtema balance
termico, se dimensiona el circuito solar termico y fotovoltaico que energizara el sistema,
Con el análisis de la sección 3.5.1, se efectua el montaje en Trnsys, con ellos se
evaluara del comportamiento del sistema en condiciones reales de operación. En la ultima
parte de este capitulo se explica cada componente de los types utilizados en el montaje y asi
mismo la conexión del sistema.
80
3.1 Refrigeradores Servel
En los años 20, Albert Einsten ya había puesto en marcha la teoría cuántica y
había de terminado de resolver la teoría de la relatividad. Él por ser un apasionado en la física
empieza un estudio más profundo con la finalidad de encontrar una ecuación maestra capaz
de explicar toda la fuerza de la naturaleza.
Al mismo tiempo de trabajar en lo más profundo de la física se encontraba en el
estudio de un prototipo de nevera, en el año de 1926 inicio un estudio de prototipo de nevera
que funcionara con calor. Usaba un fluido llamado refrigerante para absorber el calor adentro
y luego soltarlo fuera, el cual se contrae y se expande y circula por un circuito de tuberías.
Una versión del sistema de absorción desarrollada por Carl Munters y Baltzer Von
Platen en Suecia, funciona sin bomba de líquido. La circulación se realiza en virtud de las
diferencias de densidad de los fluidos, y la evaporación del refrigerante tiene lugar en
presencia de un tercer componente del sistema.
3.2 Dimensionamiento del sistema
Para está investigación se adquirió un refrigerador Tipo Electrolux por absorción
amoniaco agua, el modelo es Dominc de 40 litros conocido como minibar con una sola puerta
y un termostato que indica que puede conservar alimentos hasta una mínima temperatura de
4℃. La nevera no cuente con una ficha técnica o una placa que indique la capacidad del
sistema y su eficiencia en refrigeración.
En esta investigación se dimensionar un sistema solar que se acople a las condiciones
frigoríficas del sistema el cual se relaciona al potencial de irradiación solar para las zonas
poco favorecidas en fluido eléctrico. Para determinar la instalación solar se debe efectuar una
81
serie de cálculos y simulaciones del sistema. Esto dividí en dos puntos fundamentales,
cálculos de dimensionamiento e instalación del sistema que se simulación.
Los cálculos para la instalación térmica solar se dividen en cuatro aspectos
fundamentales, los cuales se relacionan y definen a continuación:
3.3 Dimensionamiento sistema solar:
1. Balance Térmico: con este cálculo se determina la capacidad frigorífica del sistema
de refrigeración.
2. Capacidad calórica requerida del generador: Con el análisis de la primera ley de
la termodinámica se determinar la cantidad de calor que se requiere para generar frio.
Y a su vez se halla la eficiencia del sistema de refrigeración
3. Instalación solar: Se determina la cantidad de colectores solares y tipo de fluido
para intercambiar calor en el generador del refrigerador.
4. Instalación Fotovoltaica: en la instalación solar térmica se tendrá dos bombas que
requieren el impulso del aceite, como el sistema es autónomo se utiliza captación
solar fotovoltaica para energizarlas.
3.4 Simulación de instalación solar térmica y fotovoltaica para el sistema Servel:
1. Creación del TYPE del refrigerador Servel por absorción Trnsys: se crea el
TYPE del refrigerador con las ecuaciones termodinámicas deducidas del refrigerador.
2. Montaje del captador solar y Fotovoltaico: Se efectuar el montaje en Trnsys del
TYPE Servel y colectores y fotovoltaicos, con los datos climáticos de las ciudades no
interconectadas del país.
3. Simulación del sistema: se genera un informe anual del comportamiento del sistema
para determinar la eficiencia del sistema de refrigeración en condiciones óptimas y
adversas.
82
3.5 Dimensionamiento Blance Termico:
Para determinar la cantidad de energía calórica que absorbe en la cámara de conservación
de alimentos se toma como base el criterio de balance térmico, inicialmente se toma un
kilogramo de agua a temperatura ambiente que es equivalente a 19,6 ℃. Medida tomada en
la ciudad de Bogotá, este valor se obtiene con mediciones con el Penta full gauge.
Imagen 1 Temperatura censada para un kilogramo de agua. (Autor)
Se ingresa el fluido dentro del refrigerador y se toma el tiempo que requiere reducir
un grado la temperatura del agua, con un cronometro se mide los tiempos requeridos para
reducir temperatura.
En la Imagen 2 se aprecia la reducción de temperatura para un grado centiigrado, al
compararlo con la imagen tres se aprecia que el tiempo requerido esta en un rango de 12
minutos. Con estos valores se calcula la cantidad de energía que el refrigerador es capaz de
retirar por producto.
83
Imagen 2 Temperatura censada para un kilogramo de agua después de doce
minutos. (Autor)
Imagen 3 Tiempor requerido para reducir 1℃ la temperatura del agua. (Autor)
84
los datos tomados se registran en la tabla número 2.6.
Toma de datos de temperaturas con respecto a un kilogramo de agua a enfriar
Tiempo del
experimento
Kilogramos
de Agua a
enfriar
Temperatura
inicial
Delta de
temperatura
experimental
Tiempo
requerido en
horas
1 día
1 Ambiente 1 °C 12.01
minutos
1 Ambiente 1 °C 12.5
minutos
1 Ambiente 1°C 11.58
minutos
1 Ambiente 1°C 12.0
minutos
El tiempo requerido para reducir la temperatura se encuentra en un intervalo entre
11,58 minutos a 12.1 minutos, al analizar que la variación entre dos días no tiene un cambio
significativo se hace un balance térmico.
3.5.1 Calculo de carga Termica:
Tal como se explicó en el capítulo dos de este documento, el balance térmico para
determinar la capacidad del sistema se compone de cuatro puntos.
Carga por producto.
Carga por irradiación solar.
Carga por infiltración.
Carga por transferencia se calor dada por el bombillo
Con la finalidad de determinar la carga térmica por producto se utiliza la ecuación de la
primera ley de la termodinámica, donde involucra la masa de agua el calor especifico y el
diferencial de temperatura, que para este caso se precisa 1 ℃
85
𝑄𝑅 =��𝑎𝑔𝑢𝑎
𝑇× 𝐶𝑝 × ∆𝑇
Esta ecuación se toma de la ecuación 2.2 registradas en el capítulo dos de este
documento. Se toman los datos de la tabla 3.1 y se reemplazan en ecuación
Calculo de la toma de datos 1:
𝑄𝑅 =1 𝐾𝑔
12.01 ∗ 60× 4.18
𝐾𝐽
𝐾𝑔 × °𝐶× (19°𝐶 − 18°𝐶)
𝑄𝑝 = 0.0058 𝑘𝑊
𝑄𝑝 = 5,80 𝑊
Calculo de la toma de datos 2:
𝑄𝑅 =1 𝐾𝑔
12.05 ∗ 60× 4.18
𝐾𝐽
𝐾𝑔 × °𝐶× (19°𝐶 − 18°𝐶)
𝑄𝑝 = 0.00578 𝑘𝑊
𝑄𝑝 = 5,780 𝑊
Calculo de la toma de datos 3:
86
𝑄𝑅 =1 𝐾𝑔
11,58 ∗ 60× 4.18
𝐾𝐽
𝐾𝑔 × °𝐶× (19°𝐶 − 18°𝐶)
𝑄𝑝 = 0.00602 𝑘𝑊
𝑄𝑝 = 6.02 𝑊
Calculo de la toma de datos 4:
𝑄𝑅 =1 𝐾𝑔
12 ∗ 60× 4.18
𝐾𝐽
𝐾𝑔 × °𝐶× (19°𝐶 − 18°𝐶)
𝑄𝑝 = 0.00580 𝑘𝑊
𝑄𝑝 = 5,80 𝑊
Las cargas térmicas para el producto son muy similares, se promedia la carga y se
obtiene el 𝑄𝑅, que es la carga de refrigeración por producto.
𝑄𝑅 =5.80 + 5.78 + 6.02 + 5,80
4
𝑄𝑅 = 5,85 𝑊
Cálculo de transferencia de calor por paredes:
La carga por radiación solar se tiene encueta porque el refrigerador estará expuesto a
los ambientes exteriores. Las paredes del refrigerador son el envolvente del cuerpo del
refrigerador, este se compone de dos láminas galvanizadas y entre la estructura tiene
87
poliestireno de una pulgada de espesor, este material disipa el calor por radiación solar en el
refrigerador.
Para hallar la carga se toma el área de las cuatro caras más el techo
𝐴 = 2(0.401 × 0.554) + 2(0.446 × 0.554) + (0.446 × 0.401) 𝑚2
𝐴 = 1.117 𝑚2
Las tablas donde se encuentra el U de transferencia de calor por material se hallan en
el libro de Edward Pita, en principios y sistemas básicos de refrigeración, capitulo 14. Los
datos encuentran en el sistema inglés, para usarlas se efectuará las conversiones pertinentes
para hallar la carga. Inicialmente se convierte el área obtenida por las cuatro caras y el techo
a 𝑝𝑖𝑒2. (Pita, 2013).
1𝑚2 − − − − − 10.763 𝑝𝑖𝑒2
Donde el área del sistema en 𝑝𝑖𝑒2 es:
𝐴 = 12.03 𝑝𝑖𝑒2
En la tabla solicita conocer el diferencial de temperatura en ℉, usando la ecuación ()
que se encuentra relacionada en el capítulo 2.
℉ = 1.8 × 31.2℃ + 32
℉ = 88.16℉
℉ = 1.8 × 5℃ + 32
℉ = 41 ℉
88
Se halla el diferencial de temperatura entre la temperatura ambiente, (para el diseño
se toma como base la temperatura de la Guajira), con respecto a la temperatura que mantiene
en el refrigerador en su mínima temperatura capaz de bajar, como el termostato indica que
es 5℃, se toma este valor para calcular la ganancia de calor.
∆𝑡 = 88.16℉ − 41℉
∆𝑡 = 47.16 ℉
Con la formula () se halla la radiación solar se reemplaza el U global y el área por las
cuatro caras de la nevera más el techo
𝑄𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 𝑈 × 𝐴 × ∆𝑇
𝑄𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = (0,033 𝐵𝑡𝑢
𝑝𝑖𝑒2 × ℉) × 12.03 𝑝𝑖𝑒2 × 47.17℉
𝑄𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 16,34 𝐵𝑡𝑢
1 𝑊 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒 𝑎 3.412 𝐵𝑡𝑢
La ganancia de calor por transferencia es de:
𝑄𝐼𝑟𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 = 4,79 𝑊
Infiltración:
La infiltración ocurre cuando el aire exterior entra en la cava de conservación de
alimentos, bien sea por aberturas de la nevera o por aperturas de puertas cuando se va a tomar
algún producto que se esté conservando. El refrigerador debe ser capaz de vencer la adición
de calor que entra. Con la ecuación de infilraciones se calcula la carga sensible
𝑄𝐼𝑆 = 1.1 × 𝐶𝐹𝑀 × ∆𝑇
89
La carga latente con la ecuación (2.4), el uso de la carta psicométrica del aire para
encontrar la cantidad de granos de agua que se debe retirar por la cantidad de humedad que
ingresa a la cava. La carta se encuentra con propiedades de nivel del mar.
𝑄𝐼𝐿 = 0,68 × 𝐶𝐹𝑀 × ∆𝐻𝑔ℎ20
Tanto para la ecuación 2.3 y 2.4 se debe hallar los CFM, para hacerlo se utiliza la
ecuación 2.5:
𝑉𝑁𝑒𝑣𝑒𝑟𝑎 = 0,401 𝑚 × 0,054 𝑚 × 0,446 𝑚
𝑉𝑁𝑒𝑣𝑒𝑟𝑎 = 0,099 𝑚3
Como las tablas se encuentran en el sistema inglés, se hace la conversión de 𝑚3 a
𝑝𝑖𝑒3
1 𝑚3 ↔ 35,32 𝑃𝑖𝑒3
0,099 𝑚3 ↔ 𝑉
𝑉𝑁𝑒𝑣𝑒𝑟𝑎 = 3.5 𝑃𝑖𝑒3
El valor uno (1) tomado en la formula descrita es tomada del libro Edward Pita en el
capítulo 3.
𝐶𝐹𝑀 = 1 ×𝑉
60
𝐶𝐹𝑀 = 1 ×3,5 𝑝𝑖𝑒3
60
𝐶𝐹𝑀 = 0.0583 𝑝𝑖𝑒3
𝑚𝑖𝑛
Al tener los CFM, se procede a elaborar el cálculo de calor sensible que entra al
refrigerador con el uso de la ecuación 2.3, se obtienen la ganancia de calor.
𝑄𝐼𝑆 = 1.1 × 𝐶𝐹𝑀 × ∆𝑇
90
𝑄𝐼𝑆 = 1.1 × 0,0583 𝑃𝑖𝑒3
𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜× (47,16 ℉)
𝑄𝐼𝑆 = 3,024 𝐵𝑡𝑢
𝑄𝐼𝑆 = 0,885 𝑊
Para el Cálculo de calor latente por infiltración se toman los CFM calculados
anteriormente y se remplazan en la fórmula. Para determinar el ∆𝐻𝑔ℎ20 , se hace mediante el
uso de la carta psicrométrica:
𝑄𝐼𝐿 = 0,68 × 𝐶𝐹𝑀 × ∆𝐻𝑔ℎ20
𝑄𝐼𝐿 = 0,68 × 0,0583 𝑃𝑖𝑒3
𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜× (175 − 135)
𝑄𝐼𝐿 = 1,586 𝐵𝑡𝑢
𝑄𝐼𝐿 = 0,464 𝑊
La ganancia total de calor por infiltración es la resultante de la suma de la ganancia
de calor sensible y latente.
𝑄𝑇𝐼 = 𝑄𝐼𝑆 + 𝑄𝐼𝐿
𝑄𝑇𝐼 = 0,885 𝑊 + 0,464 𝑊
𝑄𝑇𝐼 = 1,349 𝑊
El refrigerador tiene un bombillo led de consumo de 10 W, la ganancia de calor por
luces dentro del refrigerador es:
𝑄𝐿𝑢𝑐𝑒𝑠 = 10 𝑊 × 0,2
𝑄𝐿𝑢𝑐𝑒𝑠 = 2 𝑊
91
La suma de todas las ganancias de calor da como resultado la capacidad frigorífica
del refrigerador.
𝑄𝐿 = 𝑄𝑃 + 𝑄𝑅 + 𝑄𝐼𝑇 + 𝑄𝐿𝑢𝑐𝑒𝑠
𝑄𝐿 = 5,85 𝑊 + 4,79 𝑊 + 1,35 𝑊 + 2𝑊
La capacidad en refrigeración del sistema Dominic de 40 litros es:
𝑄𝑅 = 14 𝑊
3.5.2 Capacidad calórica requerida en el generador
La capacidad calórica del generador se halla mediante balances termodinámicos, se
debe conocer parámetros de entrada del sistema. En el capítulo uno de esta investigación
refiere en una investigación sobre los sistemas Electrolux es que la presión que el equipo
maneja en cada uno de sus puntos entre un intervalo de 20 a 25 Bares (Cesar, 2015).
Como cada dispositivo, condensador, evaporador, botella, absorsor, separador y
generador tiene una presión en específico, de ahí que se deba revisar el cálculo de presiones
parciales. Los estados termodinámicos
Esquema del refrigerador:
ESTADOS TERMODINÁMICOS:
Los ingenieros consulotres de sistema de refrigeración de media y baja temperatura,
para la selección de equipos usan el concepto del diferencial de temperatura que se aplica en
evaporación y en condnesación, según los libros de texto de Edward Pita, Stoechke y Dossat,
recomiendad utilizar un diferenical de temperatura entre un rango de (−10 ℃ 𝑜 − 15 ℃)
(Roy, 1961). En la mayoría de los casos utilizan un delta de −15 ℃ (Alarcón, 2000).
92
El sistema Dominc debe conserva alimentos a una temperatura de corte de 5℃, el
refrigerante debe hervir a menos de la temperatura de corte, utilizando el concepto del
diferencial de temperatura, el refrigerante debe entrar al evaporador a −10 ℃.
En condensación se mide la temperatura en la entrada y salida del dispositivo, donde
se registra una temperatura de 37,4 ℃, como se muestra en la siguiente figura.
Imagen 4 Temperatura censada en la entrada del condensador. (Autor)
Como el concepo de diferencial de temperatura se utilizo en evaporación, se debe utilizar
en condensación los mismos 15 ℃, pero positivo. El refrigerenate debe entrar a 52,4 ℃ con
estos datos de entrada se hallan los estados termodinámicos, tanto en condensación como en
evaporación.
93
1. Condensadora:
Con la temperatura medida se halla la presión de condensación del sistema, este valor
y de los demás estados termodinámicos se determina con el software EES.
Con la temperatura y presión se halla la entalpia en vapor sobrecalentado en la
entrada del condensador.
En la salida del condensador el amoniaco se encuentra ya en su fase líquida, en la tabla
3.2.1 se relaciona la entalpia del amoniaco. Bajo este mismo concepto se procede hacer este
mismo proceso para cada dispositivo del refrigerador.
Balance de energía Condensador:
El balance de energías se expresa mediante la ecuación 2.2, la cual permite
determinar el calor disipado por el amoniaco al ambiente que en este caso es al aire.
Esta dispiación permite la transformación del refrigerante de la fase gasosa a la fase
liquida. Al reemplazar las entalpias halladas por el EES en la ecuación, el calor rechazado
𝑄𝑐𝑜𝑛 se expresa en función del flujo másico del amoniaco puro. La ecuación 3.21 se describe
el proceso matemático de la condensación.
𝑄𝑐𝑜𝑛 = 1041.9��𝑁𝐻3 (3.2.1)
Balance de energías Unión TEE
En este punto se produce una mezcla entre el gas hidrogeno, el cual permite nivelar
las presiones del sistema de refrigeración, permitiendo no utilizar sistema de bombeo en el
circuirto de refrigeración.
El gas entra a la TEE con una temperatura de 28,7 ℃, mezclándose con el amoniaco
que ingresa a la tee en fase liquida. Para el balance de energías se debe determinar la entalpia
del hidrogeno el cual se en cuentra a una alta temperatura con una presión parcial de una
atmosfera (Kouremenos & Stegou, 1987).
94
Para hallar la entalpia del hidrogeno a una 𝑇 = 28,7℃ y por ser un gas a una presión
de más de 20 bares, la entalpia del hidrogeno se considera mediante la ecuación 2.15.
ℎℎ2 = 14,39 × 𝑇 − 68,991 (𝐾𝐽
𝐾𝑔)
Al reemplazar la temperatura a la cual se encuentra el hidrrogeno en kelvin el valor
de la entalpia es de:
ℎℎ2 = 4219 𝐾𝐽
𝐾𝑔
Se hace este mismo procedimiento para el hidrogeno, pero saliendo del evaporador a
𝑇 = 25℃ donde la entalpia da muy similar.
ℎℎ2 = 4219 𝐾𝐽
𝐾𝑔
Para determinar la entalpia total de la mezcla amoniaco e hidrogeno tanto en fase
gaseosa como en fase liquida, se utiliza la ecuación 2.14, pero esta depende de la fracción
de amoniaco e hidrogeno en el sistema, como se relaciona a continuación.
𝐻𝑇(𝐿 𝑜 𝑉) = 𝑋𝑁𝐻3ℎ𝑁𝐻3 + (1 − 𝑋𝑁𝐻3)ℎℎ2
Para hallar la fracción de amoniaco con respecto al hidrogeno, el concepto de presión
parcial entra hacer importante. Como el sistema en todos sus puntos tiene la mima presión
(21,33 bar), se analiza la sustancia de amoniaco bajo esa condición, pero con la temperatura
de evaporación del amoniaco, siendo la temperatura del amoniaco al cual hierve en la
entrada del evaporador es de 𝑇𝑒𝑣𝑎 𝑁𝐻3 = −10℃.
La presión del amoniaco se con el EES, donde registra que la presión parcial es de:
𝑃𝑝 𝑁𝐻3 = 2,89 𝐵𝑎𝑟
Como se tiene la presión parcial del amoniaco y la presión total del sistema Servel,
se puede determinar la fracción de amoniaco frente al hidrogeno, tal como se expresa en la
ecuación 2.19:
95
Al despejar la fracción de la ecuación 2.19 resulta:
𝑋𝑁𝐻3 = 0,1355
Se sabe que la presión total es la suma de las dos presiones parciales, del amoniaco e
hidrogeno, se calcula la presión en bares del hidrogeno.
𝑃𝑝 ℎ2 = 𝑃𝑝𝑇 − 𝑃𝑝 𝑁𝐻3
Donde
𝑃𝑝 ℎ2 = 18,44 𝐵𝑎𝑟
En la siguiente tabla se resume los estados 3, 4 y 5. El estado tres es la entrada de
hidrogeno para mezclarse con el amoniaco, entrada 4 es la entalpia del amoniaco puro en
fase liquida, en la entrada del evaporador y el estado 5 es la entalpia del amoniaco puro pero
en fase vapor.
Cabe resaltar que con la presión parcial para el amoniaco puro en ambas fases es de
2,98 Bar, y con la temperatura de baja se halla las entalpias en mención.
Al reemplazar la fracción y las entalpias del hidrogeno y amoniaco se obtiene la
entalpia total en la entrada del evaporador.
𝐻𝑇(𝐿 ) = 3668 𝐾𝐽
𝐾𝑔
Lo mismo se hace para hallar la entalpia en la salida del evaporador.
𝐻𝑇(𝑉 ) = 3844 𝐾𝐽
𝐾𝑔
Balance de energías Evaporador:
El balance en el evaporador es la cantidad de masa total que ingresa al intercambiador,
es igual a la misma cantidad que sale, con la diferencia que las entalpias varían, dependiendo
de la temperatura de entrada de la mezcla de amoniaco e hidrogeno frente a la temperatura
96
de salida del amoniaco e hidrogeno, este balance depende también de la cantidad de energía
que absorbe el refrigerante dentro del refrigerador. Esta cantidad de energía fue calculada en
el balance térmico, al inicio de este capítulo. El balance del evaporador se expresa con la
ecuación 2.18.
��𝑇 =0,0014
𝐾𝐽𝑠
3844 𝐾𝐽𝐾𝑔 − 3668
𝐾𝐽𝐾𝑔
El flujo másico total para la mezcla en la entrada y salida del evaporador es:
��𝑇 = 0,00007967 𝐾𝑔
𝑠
Como se ha comentado anteriormente, en la TEE ingresa amoniaco en estado puro e
hidrogeno produciendo como resultado una mezcla que se denomina masa total.
Termodinamicamente se expresa como:
��𝑡 = ��𝑁𝐻3 + ��ℎ2
El balance de energías en la tee se describe bajo la ecuación 2.13
𝑚𝑡 ∗ ℎ𝑡 = ��ℎℎℎ + ��𝑁𝐻3ℎ𝑁𝐻3
En esta expresión se tienen dos incognitas, el flujo masico del amoniaco y el flujo
masico del hidrogeno, utilizando la ecuación () , dejándola en función del flujo masico total
y del flujo de amoniaco y reemplazandola en la expresión 2.13 se halla la corriente del
amoniaco.
𝑚𝑡 ∗ ℎ𝑡 = (��𝑡 − ��𝑁𝐻3) × ℎℎ2 + ��𝑁𝐻3ℎ𝑁𝐻3
Tanto la entalpia del amoniaco como la entalpia total que esta en mezcla se
encuentran en fase liquida. Al utilizar métodos algebraicos se deja el flujo masico del
amoniaco en función de la masa total y entalpuas de hidrogeno, amoniaco y mezcla,
permitiendo determinar la corriente de amoniaco puro que circula por el sistema Servel.
97
��𝑁𝐻3= ��𝑇
(ℎ𝑇 − ℎℎ2)
(ℎ𝑁𝐻3 − ℎℎ2)
��𝑁𝐻3= (0,00006313
𝐾𝑔
𝑠) × (
3668 𝐾𝐽𝐾𝑔 − 4219
𝐾𝐽𝐾𝑔
450,1 𝐾𝐽𝐾𝑔 − 4219
𝐾𝐽𝐾𝑔
)
��𝑁𝐻3= 0.00001165
𝐾𝑔
𝑠
Balance en el separador:
El separador es el dispositivo que se encuentra después del generador, en el permite
que la mezcla agua amoniacal se separe, dejando caer el elemento más pesado que es el agua
al absorsor y el más liviano que es el amoniaco en fase gaseosa se sdesplace al condensador.
La expresión termodinámica se determina con la ecuación 2.25, la ecuación tiene una
sola incognita, que es el flujo masico de la mezcla agua amoniacal.
��𝑏𝑖 × ℎ𝑏𝑖 𝑠𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = ��𝑏𝑖 × ℎ𝑏𝑖 𝑒𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑜𝑠𝑜𝑟 + ��𝑁𝐻3 × ℎ𝑁𝐻3 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
Al despejar la mezcla binaria la ecuación queda en función de las entalpias y el flujo
masico del aminiaco.
��𝑏𝑖 =��𝑁𝐻3 × ℎ𝑁𝐻3 𝑓𝑎𝑠𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟
(ℎ𝑏𝑖 𝑠𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 − ℎ𝑏𝑖 𝑒𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑠𝑜𝑟)
Al reemplazar los datos en las ecuaciones se obtiene el siguiente resultado:
��𝑏𝑖 =0,000009229
𝐾𝑔𝑠 × 1492
𝐾𝐽𝐾𝑔
1806 𝐾𝐽𝐾𝑔 − 1691
𝐾𝐽𝐾𝑔
��𝑏𝑖 = 0,0001515 𝐾𝑔
𝑠
El flujo masico de la mezcla agua amoniacal es el que recorre en el absorsor,
intercambiador, generador y separador del sistema.
98
Balance en el reservorio:
Con la ecuación 2.22 se determina el flujo masico del hidrogeno del sistema, el cual
fluye en el absorsor y evaporador del sistema.
En este dispositivo se separa el hidrogeno del amoniaco, pero este a su vezes
absorbido por el agua. El agua viene con una mezcla muy pobre de amoniaco cuando sale
del absorosor, al absober el amoniaco que viene del evaporador queda como una mezcla rica.
Esta mezcla se denomina binaria, estando en dos estados, liquida para el agua y en vapor para
el amoniaco.
��ℎ2 = 𝑚𝑏𝑖 ×ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒 − ℎ𝑏𝑖 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑟𝑖𝑐𝑎
ℎℎ2
��ℎ2 = 0,00012 𝐾𝑔
𝑠×
730,6 𝐾𝐽𝐾𝑔 − 100,3
𝐾𝐽𝐾𝑔
4219 𝐾𝐽𝐾𝑔
��ℎ2 = 0.00002263 𝐾𝑔
𝑠
Balance en el generador
El dispositivo recibe una mezcla binaria a una temperatura de 77 ℃, aquí se hace el
cambio de estado, al pasar de una temperatutra más baja a una más alta, al tomar la medida
de temperatura en la salida del generador, la temperatura de salida es de 130 ℃, considerando
la misma presión de 21,33 Bar.
En la siguiente tabla se describe las entalpias por cada estado termodinamico que se
encuentra la sustancia.
Con el uso de la ecuación 2.26 al reemplazar el flujo masico hallado y las entalpias
dadas por EES, se obtiene el siguiente resultado.
��𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 0,0001515 𝐾𝐽
𝐾𝑔(1806
𝐾𝐽
𝐾𝑔− 1250
𝐾𝐽
𝐾𝑔)
��𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 0.08414 𝑘𝑊
99
��𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 84.14 𝑊
Aunque se requiere una mayor temperatura para la separación de la mezcla binaria,
la cantidad de energía que requiere es más bien baja. Con este valor se puede determinar, dos
puntos importantes.
La cantidad de colectores solares necesarios para el funcionamiento del sistema
Servel .
La eficiencia del sistema de refrigeración.
Eficiencia del sistema Servel:
El deseméño de los sistemas de refrigeración se miden por el COP, tal como se
menciona en el capitulo dos en el subtitulo, 2.1.2. Eficiencia en los sistemas de
Refrigeración, con el uso de la ecuación 2.1 determinamos e desempeño del equipo.
𝐶𝑂𝑃 =𝑄𝑅
𝑄𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑊
𝑊
Al reemplazar en la ecuación la cantidad de energía calórica que el refrigerador debe
retirar, contra la cantidad de energía necesaria que consume el equipo para lograr refrigerar,
se da el siguiente resultado
𝐶𝑂𝑃 = 14 𝑊
84.14 𝑊
𝐶𝑂𝑃 = 0.17 𝑊
𝑊
En estudíos previos citados en el capítulo uno de está investigación, se comenta que
idealmente el COP de los sistemas Servel deben estar en un rango de 0.2 a 0.4 en condicions
ideales.
Calor Rechazado:
100
Cuando el amoniaco se separa en su totalidad del agua, queda en fase gaseosa a una
alta presión y una alta temperatura, básicamente el amoniaco está transportando la cantidad
de energía removida del producto que se encuentra en el interior del refrigerador.
Para que el amoniaco vuelva a la fase liquida debe rechazar la energía transportada,
con la finalidad de hacer un balance completo en el refrigerador, se debe hallar la cantidad
de energía removida por el sistema de absorción. Se determina con el uso de la ecuación 3.2.1
𝑄𝑐𝑜𝑛 = 1041.9��𝑁𝐻3
Al reemplazar el flujo masico en la ecuación el resultado es:
𝑄𝑐𝑜𝑛 = 0,01213 𝐾𝐽
𝑠
Balance de energías para el absorsor
El balance energético total del sistema permite determinar la cantidad de calor que
rechaza el absorsor, con la ecuación 2.28 resulta:
𝑄𝑎𝑏𝑠 = 14 𝑊 + 84.14 𝑊 − 12.13 𝑊
𝑄𝑎𝑏𝑠 = 86.01 𝑊
101
3.5.2.1 Capacidad energética del generador medida en el laboratorio
La nevera Dominic de 40 litros tiene una resistencia en el interior del generador que
permite calentar la mezcla agua amoniacal. Para determinar el consumo en amperios, se
utiliza un datologer, el cual registra resultados de corriente con respecto al tiempo.
La imagen 5 muestra el circuito de refrigeración, y la conexión del dataloger, esta
censa las temperaturas en la entrada y la salida de cada dispositivo. Los bulbos se conectan
al abosrsor, generador y reservorio.
Imagen 5 toma de temperaturas y corriente electrica del sistema (Autor)
102
El comportamiento del refrigerador se mide con carga de producto en su interior, con
esto se determina en que momentos el equipo se enciende y apaga por demanda de frio, y
como este afecta la temperatura de la cava de conservación frente a la temperatura de la
salida del generador. Al aumentar la temperatura del generador, disminuye la temperatura de
conservación, la minima registrada es de cinco grados.
En la imagen 6, se muestra la nevera con el tipo de producto y cantidad que se
selecciono para el experimento.Al medir la temperatura minima registrada con producto
conservando se censa 5 grados. Con esta medida temperatura se detallaun comportamiento
más acertado con respecto al funcionamiento del refrigerador en condiciones reales de
operación. Cabe resaltar que estas mediciones, se hicieron en el laboratorio de la universidad
tecnología Distrital.
Imagen 6 Carga de producto (Autor)
103
Grafica 3.1 Corriente maxíma registrada en el Generador. (ARIAS, 2018)
Los picos de corriente ese encuentran en un rango de 0.62 a 0.67, el archivo medido
en el laboratorio tiene cerca de 3200 datos por un segundo y lo que se ve en el registro es un
pulso constante que varia durante el tiempo dependiendo del nivel del delector,
aproximadamente 25 segundos, al analizar los datos, la nevera mantiene encendida un 80%
siendo constante todo el tiempo.
Utilizando la ecuación (2.9)
𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼 * FP
𝑃 = 120 𝑉 ∗ 0.67𝐴
𝑃 = 80.4 𝑊
Donde la tensión es de 115 V, la corriente es de 0.6164 A, ya que funciona un 80%
constantemente el equipo según demanda de absorción de energía calórica, con el uso de la
ley de potencia de la ecuación 2.9 la energía necesaria en el generador es:
𝑃 = 120 𝑉 ∗ 0.6164 𝐴
104
𝑃 = 73.96 𝑊
La siguiente imagen representa el comportamiento del refrigerador asociado con las
temperaturas, la grafica de color verde muestra la temperatura maxíma que llega en el
genardor, 175 ℃ y una minima de 25 grados cuando el equipo apaga.
La línea verde clara la cual se ubica en el inferior del grafico enseña las temperaturas de
evaporación refrigerante, la minima temperatura censada durante un rango de 6 de la mañana
a 6 de la tarde es por debajo de los 10 ℃.
La temperatura de condensación del equipo se encuentra en un rango de 24 a 37 ℃, tanto
en la entrada como en la salida del condensador, esta temperatura defina la presión del
sistema. EES censa la presión en un rango de 21 Bar el cual se aplica en todos los dispositivos
de los equipos. Para determinar la temperatura del amoniaco en la entrada y salida del
generador, dependerá de la presión parcial del refrigernte, comparada con la temperatura que
se encuentra por debajo de los 10 ℃.
Grafica 3.2 Registro de temperaturas en condensador, Evaporador y
Generador. (Autor)
105
3.6 Instalación Solar:
El sistema de bombeo es de la marca siemens, de capacidad en caudal de 10 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜,
con este caudal se determina la cantidad de masa por segundo que recorre en el panel solar
termico.
La ecuación (2.40), determina el flujo masico en función del caudal del sistema de
bombeo y la densidad del aceite seleccionado, que tiene una temperatura de evaporación por
encima de los 200℃.
�� = 𝑄 × 𝜌𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
La capacidad de la bomba es pasada a la unidad 𝑚3, para tener coherencia en las
unidades manejadas.
�� = 0.01 𝑚3
𝑚𝑖𝑛× 816.9
𝑘𝑔
𝑚3
�� = 8,17 𝑘𝑔
𝑚𝑖𝑛× 1
𝑚𝑖𝑛
60 𝑠
�� = 0.1361 𝑘𝑔
𝑠
Para garantizar que el intercambio de calor sea favorable se lleva el aceite a la salida
del generador a unos 135℃, se calcula la temperatura de entrada para lograr los 130 en el
generador.
3.6.1 Selección del colector solar:
La selección de los colector solar termico, depende de la demanda energética del
generador de la unidad de absorción, se toma la capacidad que requiere el generador que es
de 66,67.
La eficiencia del colector solar se calcula mediante la curva cuadrática, esta curva se
obtiene por el ensayo tipo europeo. La eficiencia depende de la temperatura media,
temperatura ambiente de la zona y los puntos de caracterización del panel este ultmo lo
relaciona las fichas técnicas de los colectores solares
106
Con la ecuación ( ), se determina la temperatura media, está se encuentra en función
de la temperatura de entrada y salida del colector. La temperatura de entrada se calculo en
función a la cantidad de masa que recorre en el circuito primario del sistema solar, la
temperatura de salida debe garantizar que en la salida del generador se tenga los 130 ℃ .
𝑇𝑚 =𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝑇𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
2
Al reemplazar las temperaturas en la ecuación y convirtiendo las temperaturas en
Kelvin el valor de la temperatura media es:.
𝑇𝑚 =(135.25 ℃ + 273,15 𝐾) + (135 ℃ + 273,15 𝐾)
2
𝑇𝑚 =408.4 + 408,15
2
𝑇𝑚 = 408.3 𝐾
La temperatura ambiente de Manaure Guajira se obtiene mediante el software
metonorm, el cual permite elaborar archivos climáticos. La temperatura entregada por el
software es de 36 ℃, equivalente en Kelvin de 309.15.
3.6.1.2 Selección Captador:
El colector solar de placa plana esta formado por una carcasa, cubierta transparatente,
absorbedor, aislamiento y tuberías, normalmente los equipos vienen definidos por potencia
nominal, por ejemplo una caldera un sistema de aire acondicionado se define en toneladas de
refrigeración, Btu o inclusive en kW, dependiendo de la aplicación que se requiera.
Cuando se habla de de captadores solares no ocurre lo mismo. El sol no emite siempre
la misma radiación, y el funcionamiento de los captadores se ve afectado por la temperatura
ambiente. Además la temperatura de utilización de la instalación influye en el rendiiento por
la dificultad de transmisión de calor.
El comportaminento del colector termico se representa mediante la ecuación (2.37),
la cual puede establecer el rendimiento.
107
ηC = η0 − (k1 × (Tm − Ta)
I) − (
k2 × (Tm − Ta)2
I) (2.37)
Los valores de η0, que es el rendimiento óptico del colector solar, k1 coeficiente de
perdidadas de calor dado en 𝑊𝑚2 𝐾⁄ y k2, coeficiente de perdidas de calor dado en
𝑊𝑚2 𝐾2⁄ , son valores dados por el fabricante en las fichas técnicas.
La irradiación tomada para medir la eficiencia es la minima en la parte norte de la
guajira, calculando el coector en la pero condición, con esto se garantiza el desempeño
normal de la instalación solar térmica.
La pagina Konstrior tiene las fichas técnicas de los colectores solares tanto planos
como de tubos de vacio, se tomara tres fabricantes para los colectores planos para determinar
la mejor eficiencia y seleccionar el colector apropiado para el acoplamiento de la nevera
Servel al sistema solar.
Colector plano Saunier Duval SRV 2.3 de media y alta eficiencia:
𝜂𝐶 = 0,790 − (2.414 × (408.3 𝐾 − 309,15 𝐾)
780 𝑊𝑚2
) − (0.049 × (408.3 𝐾 − 309,15 𝐾)2
780 𝑊𝑚2
)
𝜂𝐶 = −0.12
La eficiencia del colector plano no es la apropiada bajo estas características, se analisa
otro captador plano, el de mejor desempeño de los Saunier SRV 2.3
𝜂𝐶 = 0,801 − (3.320 × (408.3 𝐾 − 309,15 𝐾)
780 𝑊𝑚2
) − (0.023 × (408.3 𝐾 − 309,15 𝐾)2
780 𝑊𝑚2
)
𝜂𝐶 = 0,089
108
La baja eficiencia de los colectores solares obedece aque este tipo de capatador son
diseñados para calentar agua sanitaria como máximo unos 80℃.
Para el refrigerador de absorción la temperatura a la cual debe llegar en la salida del
generador es de 130 ℃. El capatado tiene una caída en su eficiencia por las altas temperaturas
a la cual el caloportador o fluido debe llegar.
3.6.1.3 Eficiencia Captador Tubos al Vacio:
La eficiencia de los capatodres planos no es suficiente para calentar el caloportador,
dado que la eficiencia del capatador es negativa, para mejorar el modo de captación de
energía se utiliza capatodres al tubo de vacio.
La conversión de la energía radiante del sol en energíatérmica lleva asociadas unas
perdidas por radiación por radiación, conducción y convección, cuyo efecto es la progresiva
disminución del rendimiento a medida que aumenta la diferencia de temperatura entre la
placa absorbedoera y el ambiente según se expresa en la ecuación características del coelctor.
La cubierta de vidrio (Simple o doble), el tratamiento selectivo de la placa y la
evacuacióndel aire en el interior del colector, son técnicas encaminadas a la reducción de las
perdidas en el colector y, en consecuencia, a la mejor de su eficiencia. Otra solución es el
empleo del vacio, con lo que reducen mucho las perdidas.
En la siguiente tabla 2.7 se muestra valores típicos de los parametros caracteristicos,
eficiencia óptica (ℎ0) y coeficiente general de perdidas (𝑈𝐿), así como el rango normal de
temperatutras de trabajo patra distintos tipos de colectores (Yogi, 2015).
COLECTOR RANGO T (℃) 𝑼𝑳
Sin Cubierta 10-40 15-25
Cubierta Simple 10-60 7
Cubierta doble 10-80 5
Superficie Selectiva 10-80 5
Tubos de Vacío 10-130 2
109
Tomando el colector tubos de Vacio marca Sunrey Energy, la eficiencia del colector
es de:
𝜂𝐶 = 0,79 − (3.16 × (408.3 𝐾 − 309,15 𝐾)
780 𝑊𝑚2
) − (0.009 × (408.3 𝐾 − 309,15 𝐾)2
780 𝑊𝑚2
)
𝜂𝐶 = 0.28
Como el rango de temperaturas estabecidos en la tabla anterior y con el calculo de la
eficiencia del colector, el panel seleccionado es el de Tubos de Vacio.
3.6.2 Número de captadores solares:
Para determinar el número de colectores se utiliza la ecuación ()
𝑄𝐺 = ��𝑎 × 𝐶𝑝 × (𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑇𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎)
La energía claculada debe ser capaz de suplir de suplir al fefrigerador y almacenar
la energía necesaria para el respaldo cuando la radiación es cero o muy baja durante el día.
𝑄𝐺 = 0.1361 𝑘𝑔
𝑠× 2935
𝐽
𝑘𝑔 ℃× 5℃
Según libro() en la pagina () menciona que empíricamente se puede utilizar un delta
entre un rango de 5℃ a 10 ℃, en el calculo se toma un delta de 5 ℃, en función al flujo
masico de la bomba el calor requerido es.
𝑄𝐺 = 1997.26 𝐽
𝑠
Con la energía requerida se halla el área de colector necesario para el trabajo de
activación y almacenamiento,
110
𝐴𝑐 =1997.26
𝐽𝑠
0.79 × 780 − 3.16 𝑊
𝑚2𝐾(413.15 − 305.15𝐾)
El área de capatción es:
𝐴𝑐 = 8.1 𝑚2
Sunrise Energy son fabricantes de colectores solares, al revisar las fichas técnicas para
colectores tubos al vacio, que tienen un rendimiento alto, el área por cada captador es de 2.54
𝑚2, la relación entre el área calculada y el área del colectror dada por el fabricante da el
número de colectores para la instalación:
#𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 =𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑚2
𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑓𝑖𝑐ℎ𝑎 𝑡𝑒𝑐𝑛𝑖𝑐𝑎 𝑚2
#𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 =8.1 𝑚2
2.54 𝑚2
Donde resulta
#𝑐𝑜𝑙𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 = 3.1
3.6.3 Dimensionamiento del acumulador:
Se ha calculado el suministro de energía y almacenamiento para la instalación
térmica, la función del refrigerador debe ser durante 24 horas al día, es decir que energía
almacenada en masa debe acumularse en algun recipiebte, se plantea un tanque cilindro
circular recto para dicha función, el cual se conecta al circuito secundario con su sistema de
bombeo, este sistema entra en funcionamiento cuando la bomba primaria se apage.
Para dimensionar el tanque se debe determinar únicamente la energía necesaria de
almacenamiento, en la sección anterior se calculo almacenamiento más energía demandada
al generador, el calculo de energía de almacenamiento se obtiene mediante la siguiente
ecuación.
111
𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑢𝑡𝑖𝑙 ×3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
1 ℎ𝑜𝑟𝑎 × (12 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 + 4 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠)
El calor útil se calcula a las 16 horas que no exsta el sol, el resultado se muestra a
continuación:
𝑄𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 84.14 𝑊 ×3600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
1 ℎ𝑜𝑟𝑎× 16 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
La cantidad de energía que debe almancenar es de:
𝑄𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 4846,464 𝑘𝐽
16 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Con la cantidad de energía que se requiere almacenar, se calcula la cantidad de masa
que debe mantener la energisada la nevera, despejando la masa de la ecuación de la primera
ley se obtiene:
��𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =4846,464
𝐾𝐽16 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
2.935 𝐾𝐽
𝐾𝑔 ℃ × 5℃
��𝑎𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 330.25 𝐾𝑔
16 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Con la masa de almacenamiento se calcula la capacidad del tanque del acumulador,
se recomineda un cilindro circular recto. Para determinar el volumen total del tanque, se
utiliza la ecuación (2.40), donde el volumen depende de la densidad del fluido caloportador
y la masa de acumulación.
𝜌 =𝑚
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
El fluido caloportador debe ser capaz de transportar altas temperaturas sin cambiar de
fase liquida a gaseosa. Una solución es utilizar aciete de motor para carro, dado que la
112
temperatura de evaporación del fluido es de 160 ℃, la especificación del aceite se encuentra
en el capitulo dos de este libro. La densidad del aceite es de 816,9 𝐾𝑔
𝑚3. Al reemplazar la masa
de acumulación y la densidad del aceite seleccionado se tiene:
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =330.25
𝐾𝑔16 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
816,9 𝐾𝑔𝑚3
El volumen del acumulador para el sistema solar es:
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0.40 𝑚3
Para hallar las dimensiondes del acumulador se utiliza dos formulas geométricas, la
de la esfera y el del cilindro circular recto. Como ya se conoce la capacidad que requiere el
tanque, se utiliza inicialmente la formula geométrica de la esfera para determinar el radio
del cilindro.
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =4
3𝜋𝑅3
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 4,1887𝑅3
𝑅3 =0.40 𝑚3
4,1887
𝑅 = √0.096 𝑚3
El radio requerido en el tanque es de:
𝑅 = 0.45 𝑚
Para calcular la longitud se utiliza la ecuación del cilindro circular recto, donde ya se
conoce el radio y el volumen.
113
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜋 × 𝑅2 × ℎ
Al despejar la incognita que es la longitud del recipiente da como resultado.
ℎ =0.40 𝑚3
𝜋 × (0.45)2
ℎ = 0.62 𝑚
Las dimensiones dek acumulador son:
𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 0.45 𝑚 𝑦 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 (ℎ) 𝑑𝑒 0.62 𝑚
Tomando como base la norma Española para instalaciones de sistemas solares
térmicos, con la finalidad de tener en cuenta las características para si diseño (CTE-HE4
Contribución solar mínima de ACS, en su apartado 3.3.3.2 situación de la conexión y 3.4.2
Acumuladores).
Las conexiones de entrada y salida se situarán de forma que se eviten caminsos
preferentes de circulación del fluido y además:
Conexión de entrada de aceite caliente procedente del intercambiador o de los
capatdores al acumulador, se realizara a una altura comprendida entre el 50% y el
75% de la altura total del mismo.
Conexión de salida de aceite frio del acumulador hacia el intercambiador a los
captadores se realizará por la parte inferior de este.
Conexión de retorno de consumo al acumulador y aceite de la red se realizara por la
parte inferior.
Extracción de aceite caliente del acumulador se realizara por la parte superior.
Los materiales recomendados para el diseño del tanque, para que se acerque lo más
posible para ser adiabático, es elementos no metálicos que soporten las temperaturas
maxímas del circuito con recubrimiento en poliestrireno.
114
3.6.3.1 Sistema de bombeo circuito secundario:
Como se menciono anteriormente el circito termico se compone de dos circuitos, el
primario el cual ya se selecciono el colector solar y sistema de bombeo. Para el cicuito
secundario se tiene el acumulador y una bomba que transportara el fluido del tanque al
generador.
La selección de la bomba secundaria se hace mediante la ecuación de flujo masico
�� = 𝑄 × 𝜌𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
La masa ya se determino, puesto que es la masa de acumulación y la densidad del
aceite es el seleccionado, al despejar la formula en función del caudal se tiene lo siguiente:
𝑄 =��
𝜌𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒
Reemplazando los datos conocidos en la ecuación se tiene:
𝑄 = 356,26
𝑘𝑔16 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
816.9 𝑘𝑔𝑚3
El caudal requerido para la bomba es:
𝑄 = 0.44 𝑚3
16 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
𝑄 = 0.0275 𝑚3
ℎ×
1 ℎ
60 𝑚𝑖𝑛
𝑄 = 0.00046 𝑚3
𝑚𝑖𝑛
Al convertir el resultado en 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜𝑠
𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 , el caudal necsario es:
𝑄 = 0.46 𝑙
𝑚𝑖𝑛
115
como el caudal calculado es bajo, se busca con proveedores de sistema de bombo para aceite
un tipo de bomba similar, Mitsubishi fabrica un sistema de bombeo de 𝑙
𝑚𝑖𝑛. Esta bomba es
la que se emplea en el circuito secundario.
Para energizar el sistema de bombeo se utiliza paneles fotovoltaicos.
3.7 Equipo Fotovoltaico para energizar el sistema de bombeo:
En está sección se determina el dimensionamiento por energía fotovoltaica para el
sistema de bombeo del circuito solar termico, la primera bomba seleccionada es de 60 W con
capacidad de bombeo de 10 𝑙
𝑚𝑖𝑛. En cuanto al circuito secundario se selecciona una bomba
de 15 W con caudal de 2 𝑙
𝑚𝑖𝑛.. ambas bombas son 12 V en corriente continua.
Para la selección de los colectores fotovolticos, se utiliza la ficha técnica del
proveedor Salome soluciones Energeticas.
Para determinar la tempoeratura de la celda se aplica la ecuación()
𝑁𝑂𝑇𝐶 = 45
𝑇𝑎 = 36℃
𝐼 = 780𝑊
𝑚2
𝑇𝐶 = 36 + (45 − 20
800) × 780
𝑊
𝑚2
𝑇𝐶 = 60.375 ℃
La potencia total de la instalación fotovoltaica para la bomba primaria es:
𝛾 = −0.45% ℃
𝑃𝑇 = 60 × (1 + (−0.45%℃
100) × (60.375℃ − 25℃))
𝑃𝑇 = 48.59 𝑊
116
Para obtener la corriente de corto circuito y la tensión de circuito abietrto a la
temperatura de trabajo de la celda, se utiliza la ecuación para perdida por potencia:
𝑉60 = 44.2 𝑉 dado por el catalogo del fabricante
𝑉60 = 44.2 + (60.375 − 25) ∗ (−0.09)
𝑉60 = 40.4 𝑉
Las perdidas por corriente es:
𝐼60 = 5 × (1 + (0,056%℃
100) × (60.375℃ − 25℃))
𝐼60 = 5.11 𝐴
3.7.1 Diseño de sistema Fotovoltaico para la primera bomba:
La demanda de energía necesaria en DC resulta.
𝐷𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐷𝐶 = 60 𝑊 × 10 ℎ
𝐷𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐷𝐶 = 600 𝑊
La energia de suministro es:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑆𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 600 𝑊
ℎ× (1 + 0,2)
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑆𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 720 𝑊
ℎ− 𝐷í𝑎
HSS = 1kWh m2 equivale a una radiación de 1 kW m2 constante durante una hora
HSS = 5.5kWh m2 equivale a una radiación de 1 kW m2 constante durante 5.5 horas
117
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =720
𝑊ℎ
− 𝑑í𝑎
5.5 ℎ
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 131 𝑊
Con la relación de potencia pico del generador y la potencia del módulo para la bomba
primaria se obtiene la cantidad de paneles fotovoltaicos.
# 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =131 𝑊
48.4 𝑊
# 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 3
3.7.2 Diseño de sistema Fotovoltaico para la segunda bomba:
Se aplica el mismo procedimiento para determinar la cantidad de celdas fotovoltaicas
para energizar la segunda bomba.
𝛾 = −0.45% ℃
La potencia total de la instalación fotovoltaica para la bomba secundaria es:
𝑃𝑇 = 15 × (1 + (−0.45%℃
100) × (60.375℃ − 25℃))
𝑃𝑇 = 11.5 𝑊
Perdidas de voltaje y corriente para la celdas es:
𝑉15 𝑊 = 36.2 𝑉 dado por el catalogo del fabricante
𝑉15 𝑊 = 44.2 + (60.375 − 25) ∗ (−0.09)
𝑉15 𝑊 = 40.4 𝑉
Perdida por corriente:
118
𝐼15 𝑊 = 5 × (1 + (0,056%℃
100) × (60.375℃ − 25℃))
𝐼56,5 = 5.1 𝐴
Demanda de energía en DC es:
𝐷𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐷𝐶 = 15 𝑊 × 14 ℎ
𝐷𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝐷𝐶 = 210 𝑊
Energía suministrada es:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑆𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 210 𝑊
ℎ× (1 + 0,2)
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑆𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 252 𝑊
ℎ− 𝐷í𝑎
Potencia Pico del generador es:
𝑃𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 =252 𝑊ℎ − 𝐷í𝑎
5.5 ℎ
𝑃𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 45.9 𝑊
# 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 =45.9 𝑊
11.5 𝑊
Número de panles para energizar la bomba secundaría cuando no hay precensia de
enería solar:
# 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 4.1
# 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙𝑒𝑠 = 5
119
Para los dos sistemas de bombeo se requiere 8 paneles fotovoltaicos.
Selección de baterías:
Se va almacenar 853.4 W, como las baterías se seleccionan por amperios utilizando
la ley de Ohm se obtiene
𝑖 =252 𝑊
12 𝑉
𝑖 = 21 𝐴
El número de horas para almacenar energía es de 8 horas, entonces se expresa de la
siguiente Forma:
𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 21 𝐴 × 10 𝐻𝑜𝑟𝑎𝑠
𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 210 𝐴
Con la relación de corriente requerida frente a la corriente suministrada por las 6
celdas que conforman una bateria, se determina la cantidad de banco de almacenamiento de
energía:
# 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎
𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠
# 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 =210 𝐴
54.7 𝐴
# 𝑑𝑒 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 3
El número de baterías aproximando es tres, marca Yuasa (Compañia Yuasa, 2018).
120
3.8 Simulación de comportamiento transitorio en la zona de Manaure Guajira
Manaure es uno de los pueblos con del departamento de la Guajira que tiene excases
de alimentos, medicamentos, falta de energía electria y lo más importante ausencia de agua
produciendo que niños se deshidtaten y mueran. El periódico el país en una publicación ,
menciona el fallecimiento de dieciséis niños por falta de alimentos, agua y medicamentos.
Por la ubicación de Manaure, en el norte de Colombia es privilegiada por radiación
solar, Meteonorm Software que permite generar archivos climáticos, muestra que la minima
cantidad de energía solar registrada en 𝑊
𝑚2 , es de 780. Esta cantidad de energía es
aprovechable para generar energía, calentar agua y generar frio, por tal razón en esta
investigación se toma como base esta ciudad para analizar el comportamiento del
refrigerador, con la finalidad de aportar una solución, en cuanto a la ausencia de
medicamentos por no conservarlos de la manera apropiada.
TRNSYS es un software destinado a la simulación de sistemas transitorios. Es
utilizado por ingenieros y arquitectos consultores para validar conceptos térmicos, eléctricos
y en eficiencia energética en edificios junto con su equipamiento, como iluminación,
sistemas de refrigeración y aire acondicionado, estructura del edificio bajo unas circustancias
climáticas, incorporando estrategias de control para mejorar el modo de operación de
equipos que tienen un alto rango de consumo energetico, además incorpora el concepto de la
protección del medio ambiente, con el uso de las energías alternativas (Eolica, fotovoltaica
y sistemas solares).
Este paquete comercial es desarrollado en la universidad de wisconsin con una
antigüedad de 29 años, llegando hasta este momento a la versión 18. Es considerando como
uno de los mejores simuladores, porque sus resultados son exactos, es decir, tiene un control
de respuestas variables por cada hora según los datos que se le introduzcan, evaluando
desempeños del sistemas llegando a lo más cercanos a la realidad posible.
121
Una ventaja de este simulador es que permite a otras aplicaciones, como el Matlab,
Microsoft Excel, EES, entre otros software lenguaje de programación, ser llamadas antes o
durante la simulación que se encuentra en análisis.
Para realizar simulaciones de cualquier sistema se utiliza una caja negra denominada
Type. Estos Types contienen el modelamiento matemático del sistema que es objeto de
investigación. Por ejemplo si se desea simular el comportamiento de una planta de absorción
en condiciones reales de operación, se utiliza el Type 107, que representa a un chiller de
absorción, este contiene embebido todo los estados termodinámicos del sistema.
Un Type solicita parámetros y entradas para generar una salida, que finalmente
serán los resultados de la operación del equipo. En la figura (2.20), describe lo anterior
gráficamente.
Figura 2.20 Esquema del TYPE. (Autor)
El parámetro se considera como el dato que es imprescindible y orientativo para lograr
evaluar o valorar una determinada situación. Consideremos nuevamente el sistema de
absorción que es el tema de esta investigación, la capacidad y la eficiencia de la planta es un
parámetro, porque permite conocer que tan efectivo es el sistema en el mometo de absorver
la energía calórica de la cava de conservación, frente a un consumo de energía, que se en
TYPE Entrada
Parametro
Salida
122
cuentra en función de la temperatura y del producto a refrigerar. La entrada son los datos a
procesar, que deriva resultados. Los datos de entrada, para el caso del refrigerador o planta
de absorción son los flujos masicos que circulan en las tuberías del sistema de refrigeración
y las temperaturas en las cuales el equipo se encuentra desempeñándose.
El informe arroja los resultados, donde describe la demanda de energía del sistema,
evaluado en condiciones reales para verificar su desempeño, con ellos se determina la
viabilidad del equipo bajo los parámetros dados.
En el caso que el analisis no sea lo esperado, se hace una distición para mejorar la
condiciones o se busca otro tipo solución, con base a la necesidad del usuario final.
Existen situaciones que un TYPE no se ajuste a ninguna de las circustancias de un
elemento que es objeto de estudio, tal como sucede en esta investigación, por tal razón se da
tres posibles soluciones.
Utilizar un Type abierto (Type 92) y configurarlo según la demanda térmicas o
electricas del sistema a analizar.
Crear un código en el software EES, el cual debe ser capaz de interpretar el sistema
matemáticamente. La finalidad es que el código represente el type que por el
momento no existe en el simulador.
Crear un Type en el lenguaje de Trnsys.
Como se menciono anteriormete el refrigerador por absorción Servel no tiene un Type
configurado matemáticamente, por tal razón se ha utilizado un type 92 que permite
configurar el comportamiento de la nevera de absorción, bajo condiciones reales.
3.3.1 Montaje
El objetivo de este apartado es hacer una descripción detallada del modelado de cada
uno de los componentes principales de la instalación en TRNSYS versión 17.
Para cada uno de los componentes (bomba de calor, climatología, captadores solares,
sistema de almacenamiento, bombas de circulación, sistema de aopyo) se ha definido un type.
Se han establecido sus consideraciones matemáticas, los parámetros, variables de entrada y
123
variables de salida que son requeridas, en el uso del refrigerador en distintas circustancias
climatologicas.
Para el modelado del refrigerador se utiliza el Type 92, que permite al usuario definir
todas las características del sistema y acoplarlo con el sistema solar termico y fotovoltaico,
cada uno mediante un type específico, que será explicado de manera más detallada al final
del capítulo. En la Figura (2.20). Se puede observar un esquema del modelo desarrollado en
TRNSYS para la simulación de la instalación y como están interrelacionados cada uno de los
componentes que componen el montaje; desde las condiciones climáticas hasta el
refrifgerador en condiciones de operación
124
Figura 2.21 Montaje sistema Servel en Trnsys. (Autor)
125
3.9 TYPE 109-TMY2. DATOS METEOROLÓGICOS:
Este Type lee y procesa datos meteorológicos de una ubicación especifica en
intervalos de tiempo que esta dado en segundo a segundo. Permite obtener la radiación solar
de una superficie, angulo de incidencia, clima y asociado a este ultimo las temperaturas de la
zona objeto de estudio.
Trnsys posee los datos climáticos de las ciudades principales, en el caso de Colombia,
relaciona los datos climáticos de las ciudades de Bogotá, Medellin, Barranquilla, Cali entre
otros.
Algunas ciudades secundarias no aparacen en el TYPE 109. Manaure, ciudad base
para este análisis, no se encuentra registrada, pero el software permite enlazarse con otros
formato como el TMY2, para el caso del objeto de estudio se genera un informe en
Meteonorm, software que tiene accesos a datos de archivo climatologico global. Estas
refrencias atmosfericas provienen de los servicios meteorológicos nacionales y cumplen con
los criterios de calidad de la organización meteorológica mundial.
Los datos generados por meteonorm son cargados en el Type 109 en el formato
TMY2, permitiendo reproducir el estado climático de Manaure como si estuviese en
condiciones reales facilitando una simulación en operación para el dispositivo (Trnsys,
2009).
126
3.9.1 TYPE 1b Colector solar :
Surinse Energy es un tipo de captador solar adecuado para el aprovechamiento de la
radiación solar difusa, mantieniendo un buen rendimiento, no solamente cuando la radiación
solar es alta, si no también en condiciones de invierno y nubosidad.
Para el modelar el comportamiento del colector solar de placa plana se utiliza el Type
1b, en la practica es muy común para el calentamiento de fluidos, como agua o aceites.
Trnsys modela este tipo de colector bajo las condiciones dada por varios fabricantes,
esto se da, porque la interface del software permite que el usuario proporcione los datos
consignados en las fichas técnicas. La eficiencia del sistema depende de la relación del calor
útil y el producto del área del captador por la radiación global solar incidente sobre la
superficie inclinada.
En la figura 2.21 se muestra los parámetros del Type, en el númeral 6,7 y 8 permite
ingresar los datos de la ficha técnica para medir la eficiencia del colector (Trnsys, 2009).
Figura 2.22 Parámetros del Type colector solar. (Autor)
127
El númeral uno permite determinar por el usuario la cantidad de colectore en serie
que se van a instalar, esto obedece cuando se requiere un aumento en el diferencial de
temperatura, pero manteniendo el mismo caudal.
El númeral dos, asocia el area del colector dada por el fabricante en sus fichas
comerciales. Si se requiere dividir el caudal con el mismo diferencial de temperatura, el
colector se debe instalar en paralelo. Para que el software interprete que la instalación solar
térmica tiene conectado entre si colectores térmicos, debe sumar las áreas del colector. Para
este estudio los colectores se instalaran en patralelo.
El Calor especifico referencia el tipo de fluido a utilizar, en esta investigación se
trabaja con un caloportador de aceite para carro nuevo, las temperaturas a las cuales alcanza
la nevera en operación se encuentran por encima de los 130 ℃, se requiere un fluido que
pueda transportar energía bajo la condición de no pasar a fase gaseosa. El aceite poesee una
temperatura de evaporación por encima de los 200 ℃
Las variables de entrada usadas para la simualción son; la temperatura ambiente de la
zona de estudio, el flujo masico en 𝑘𝑔
ℎ, el angulo de incidencia y la reflectancia en la superficie
del colector. El modelamiento matemático del type arroja unas variables de salida o
resultados que durante el transcurso de la simuación los datos son analizados generando las
siguientes respuestas. Temperatuta de salida, flujo masico con variación respecto al tiempo
y la ganancia de energía útil (Trnsys, 2009).
128
3.9.2 TYPE 4a Tanque de almacenamiento de fluidos estratificados :
El funcionamiento de un sistema solar térmico requiere apoyo cuando la irradiación
solar es escasa, bien sea por nubosidades, por invierno o cuando la radiación solare es nula
como es el caso de la hora nocturna. Para los casos anteriormente dichos el almacenamiento
de energía es indipensable; como se explico en el capitulo dos de este estudio, se requiere de
un tanque de acumulación de energía, el cual depende de la masa que requiere almacenar, en
función de la energía demandada y el tiempo en que no hay rradiación solar.
El Type 4a representa un tanque de acumulación junto a su modelamiento térmico,
este depende de la energía sensible del fluido, sujeto a su vez a la estratificación. La
programación del Type asume un valor N, como la cantidad de masa que entra en el
recipiente, cuando N es igual a uno(1), el modelamiento determina que el tanque esta
totalmente mezclado y los efectos de estratificación son posibles. En caso contrario el
programa determina que el tanque aun no acumulado la suficiente energía.
La parte superior del tanque es representada en color rojo, indicando que esa es la
línea de alta temperatura o línea caliente. La parte inferior del tanque representa la línea de
baja temperatura o línea fría del circuito.
Los para metros de entrada relacionan, el volumen del recipinte, el cual depende de
la masa de almacenamiento con respecto al tiempo, la densidad del fluido, el calor especifico
del caloportador seleccionado (fluido que trasporta la energía) y la cantidad de nodos que
posee en su interior. En el caso que el acumulador requiera apoyo se debe conectar a uno
varios calentadores auxiliares (Trnsys, 2009).
129
Figura 2.23 Parámetros del Type Tanque Acumulador. (Autor)
Las condiciones de entrada del tanque es la cantidad de masa de almacenamiento que
circula por el tanque, otra condición de entrada son las temperatura de entrada y salida del
tanque, debido al inytercambio de calor la temperatura que entra es mayor frente a la que sale
del mismo.
Los resultados generados por el type son; El caudal de carga, perdidas térmicas, tasa
de energía que va a la carga y el cambio de energía interna. La selección del tanque se mejora
cuando se registran las perdida ya que se pueden seleccionar materiales que permitan que el
recipiente tenga menos disipación de calor hacía el ambiente (Trnsys, 2009).
3.9.3 TYPE 114 Bomba :
Para el modeado de las bombas de circulación del sistema de generación (Circuito
primario y secundario), se ha utilizado el Type 114, el modelo esta basado en balances de
masas y energía. El modelo considera la transferencia de energía desde el motor del fluido y
130
as perdidas del ambiente, el modulo utiliza una señal de control cuyo valor debe estar
comprendido entre 0 y 1. Tanto el flujo como la potencia de la bomba es fijado por el usuario.
Los parámetros de entrada son; el caudal máximo del circuito primario, caudal
máximo del circuito secundario, capacidad especifica calorífica del fluido en el circuito
secundario, potencia máxima de las bombas en ambos circuitos y la fracción de potencia
térmica, la cual es dada por defecto en el software.
Las variables de entradas, son las temoperaturas de entradas del fluido, caudal masico
de entrada y la señal de control.
Las variables de salida, es la temperatura de salida, el caudal masico y la potencia
eléctrica consumida por el sistema en abos circuitos térmicos (Trnsys, 2009).
3.9.4 TYPE 92 dispositivo de enfriamiento auxiliar:
Es un sistema para simular un sistema de enfriamiento, el modelo termodiunamico
bosqueja un elemento que elimina calor. La tasa de eliminación de energía calorica la
determina el ususario, esta disipación de energía se encuentra en función de la temperaturas
a la cual se desea llegar. Es muy común utilizarlo para sistemas de refrigeración.
Por ser configurable el Type, permite modelar la nevera de absorción, el perametro
debe registrar la energía que requiere para refrigerar o capacidad del equipo, para este estudio
se ingresa la capacidad de refrigeración calculada en la sección 3.3.1 (Trnsys, 2009).
La demanda energética depende de la cantidad de calor que se inyecta al generador,
esa energía se adquietre a partir de la irradiación solar y del fluido calor poratdor, por lo tanto
se debe ingresar el calor especifico que transfiere calor al generador.
Las entradas requeridas son , la minima temperatura a la cual debe llegar la nevera y
el flujo masico de la mezcla amoniacal.
131
Las Variables de salida registra las pérdidas, y la capacidad de absorción de calor del
sistema bajo las condiciones reales de operación (Trnsys, 2009).
3.9.5 TYPE 65d Trazador gráfico en línea con archivo de salida :
El componente de gráficos se usa para mostrar las variables del sistema seleccionadas
al tiempo en que la simulación está progresando y además permite respaldar los datos en un
archivo.
Este componente es altamente recomendado y ampliamente utilizado, ya que
proporciona información valiosa de las variables y permite a los usuarios ver de inmediato si
el sistema funciona como se requiere en la operación real.
Las variables seleccionadas se mostrarán en una ventana independiente en la pantalla.
Los datos enviados al Type 65 se guardan de forma automática, junto al correspondiente paso
de tiempo a un archivo externo definido por el usuario. Unidades descriptivas (kJ/hr, kg/s,
°C, etc.) no se imprimen en el archivo de salida (Trnsys, 2009).
3.9.6 TYPE 14h Función Forzada uso horario:
El propósito de esta rutina es proporcionar valores que varian con respecto al tiempo
de manera escalonada y repetitiva. Este type establece un conjunto de puntos de datos
discretos que indican sus valores en varios momentos en el transcurso de la simulación.
Proporciona interpolación de datos en forma lineal parra generar una función forzada
continua a partir de los datos discretos (Trnsys, 2009).
132
3.9.7 TYPE 24 Integrador:
Suma el valor acumulado durante el período de simulación, se utiliza para determinar
la cantidad de energía necesaria en un intervalo de tiempo, en este caso será durante un año
completo (Trnsys, 2009).
3.9.8 TYPE 25 Registro de datos en archivo:
El componente registra los valores de las variables asignadas, para cada periodo de
tiempo, en un archivo de texto editable (Trnsys, 2009).
3.9.9 TYPE 94 Panel solar Fotovoltaico:
Este componente determina el rendimiento de una matriz fotovoltaica, la
configuración matemática expresa un modelo de circuito empírico equivalente, que calcula
el voltaje en el momento en que la celda se encuentra almacenando energía.
El circuito consta de una fuente DC, diodo dos resistencias, la corriente que fluye a
travez de la celda depende de la radiación solar y el funcionamiento del diodo depende de las
temperaturas a las que se encientre el panel.
Los parámetros que se ingresan son; la temperatura del coefiicnete VOC, el cual se
encuentra en la ficha técnica dada por el fabricante, asi mismo la corriente Isc, la tensión de
referencia del sistema y la irradiación solar de la zona.
133
Las variables de entrada que solicita el programa es la carga o tensión de los
elementos a energizar, para este estudio es el sistema de bombeo y la temperatura ambiente
de la región donde se va instalar el sistema de refrigeración (Trnsys, 2009).
3.9.10 TYPE 47 Baterias de almacenamiento:
Este type modela una bateria de almacenamiento de plomo-ácido, funciona en
conjunto con los paneles solares. El trnsys especiifica como varia la carga a través del tiempo
con base a la carga del sistema de bombeo. El modelo matemático relaciona el voltaje y
amperaje.
Los parámetros que la batería solicita al ususario es la capacidad de la celda
fotovoltaica en ameprios, la cantidad de celdas y su conectividad, la cual puede ser paralelo
o puede ser en serie, la eficiencia del panel y la máxima y minima corriente que soporta.
Estos datos los relaciona la ficha técnica que provee el fabricante.
La entrada solicita únicamente la capacidad de la batería de apoyo en kJ/hr, si no se
tiene el valor, puede dejarse en cero. Las salidas genera como resultado el comportamiento
de la celda y la capacidad de energizar el sistema de bombe del circuito solar térmico, que es
el objeto en este estudio (Trnsys, 2009).
3.9.11 TYPE 48 Inversor:
En los sistemas de energía fotovoltaica, requieren dos dispositivos para el
acoplamiento de la energía solar a una instalación. El primero de estos es un regulador, que
distribuye energía de DC desde los paneles solares hacia y desde una batería (en sistemas con
almacenamiento de energía) y al segundo componente es el que permite el cambio de AC a
DC, para este estudio solo se requiere la primera opción (Trnsys, 2009).
134
3.9.12 TYPE 57 Inversor
Este tipo de Type, proporciona una manera fácil de realizar la conversión de unidades
dentro de un archivo, el usuario describe el tipo de variable por ejemplo temperatura que
esta dada en ℃, este conversor traduce la temperatura a ℉ o K. No solo con temperatura
funciona, también lo puede hacer con otro tipo de unidades.
Cada Type posee una interfce, tal como se muetra en la figura (2.21). Para el ejemplo
se toma como base la interface del colector solar, el cual se conecta al type meteorológico.
En la columna izquierda se encuentran las variables de salida de para el modulo y en
la derecha se aprecia las variables de entrada, con base a esto trnsys internamente modela el
comportamiento de colector solar, con base alas temperaturas, angulos de inclinación y
comportamiento de la demanda de energía solar cuando hay nubosidad durante la hora diurna
(Trnsys, 2009).
135
Figura 2.24 Esquema de conexión entre parámetros y entradas. (Autor)
136
Capitulo 4
4.1 Análisis de resultados
El objetivo de este capítulo es el análisis del comportamiento de la instalación
Termica y fotovoltaica operando durante el transcurso de un año. Usando una nevera Servel
de capacidad de 14 W de refrigeración y teniendo como fuente energética la radiación solar,
adicionelmente se cuenta con apoyo de gas propano, el cual se utiliza en los momentos de
baja radiación o cuando el tanque acumulador no pueda suplir la energía necesaria para la
activación del refrigerdor.
El capitulo comienza analizando los parámetros climáticos de Manaure Guajira,
permitiendo caracterizar el comportamiento del refrigerador en operación real, realizando
posteriormente la simulaciones, donde se vera gráficamente cuanta energía entrega el
colector solar frente a la temperatura objetivo global de Manaure.
Con cada simulación verifica en que momentos el refrigerador no funciona debido a
las condiciones climáticas, sea por nubosidad o por que la radición no es lo suficiente para
suplir de energía el generador. En el trascurso de la simulación se encontrara con dos
soluciones, una que al aplicarla funciona, pero no es viable por el tamaño de la instalación y
la segunda solución que es la más optima para las circustancias que se encuentra Manaure.
137
4.2 Parámetros climáticos:
Manaure es una ciudad que se encuentra ubicada en el departamento de la Guajira,
el cual se situa en el norte de Colombia. El clima en su mayor parte de tiempo es calido con
una humedad relativamente alta, esto ocaciona la deshidratación en personas de mayor edad
y niños. Según el diario el país en los primeros meses del 2018, 16 niños han muerto entre
Riohacha, Manaure y Uribia, debido a desnitrición. Por otro lado se confirma que se
encuentran en peligro más 30 niños, por enfermedades contraídas por alimentos mal
conservados, el poco alimento que pueden disfrutar ocasiona daños en el cuerpo de los
menores. Adicionalmete se reporta en las tres ciudades de la Guajira tiene excases de
medicamentos, debido a que los centros de salud no poseen sistemas de refrigeración para
conservar medicamentos, por la ausencia de energía eléctrica en varias comunidades.
Para el análisis se escoje Manaure, por dos razones primordiales, la primera porque
la mayor incidencia de muerte de menores es en dicho lugar y la segunda razón es porque la
radiación solar en los municipios no interconectados del país viene hacer la más baja.
En la grafia 2.23 se puede apreciar el rango de temperatura de un año, se aprecia que
la temperatura máxima durante el día llega hasta 35.2 ℃ y una minima en dos días durante
el año de 21℃.
138
Figura 2.25 Condición de temperatura de la ciudad de Mauare (Autor)
El promedio esta en un rango de 27.3 ℃, en mas de un 70% del año. Aunque la
temperatura esta por denajo de los 30 ℃, la sencación térmica esta por encima de los 35℃,
esto se debe a la humedad relativa de la zona, el promedio es del 80%. La zona
climáticamente es alta por tal razón requiere de refrigeración, para aliemtos y medicamentos.
Con la finalidad de instalar el refrigerador solar autónomo, alimentado por energía
solar se hace un análisis de la radiación global , en la figura 2.22, se muestra el
comportamiento solar de Manaure, la radiación global diaria minima mostrada, data en el
mes de Diciembre, con 780 𝑊
𝑚2.
139
Figura 2.26 Radiación Promedio de Manaure Guajira (CHAMORRO
VANEGAS, 20015)
La selección de los colectores solares en la teoría, calculados en el capitulo tres en el
apartado 3.1.3 bajo el titulo instalación solar, se utiliza la radiación del mes de Diciembre.
La tabla 2.8 resume los datos meteorológicos de Manaure durante el presente año,
cabe resaltar que estos datos son obtenidos mediante meteonor y simulados en Trnsys V17.
Tiempo Temperatura
promedio en ℃
Humedad relativa % Radiación minima
dada en ,𝑊-,�-2..
1 año 27.3 79,92% 780
4.3. Análisis de comportamiento energético transitorio
En el análisis se incia con los parámetros calculados en la sección 3.5. Al tener la
capacidad se selecciona la cantidad de colectores solares, sistema de bombeo, acumulador y
el sistema fotovoltaico, análisis determinado en la sección 3.6.1.2.
Con los datos obtenidos se simula el sistema, partiendo que se requiere 3 colectores
térmicos de un área de 2.54 𝑚2 conectados en paralelo, para mantener el mismo diferncial
de temperatura en la entrada y salida del panel, con un acumulador capacidad volumétrica de
140
0.40 𝑚3 y 9 celdas fotovoltaicas conectadas en paralelo para energizar el sistema de bombeo.
Utiliza aceite como fluido de trabajo en el circuito térmico. El sistema de bombeo en el primer
circuito térmico tiene una capacidad de 10 𝑙
𝑚𝑖𝑛 con consumo de 60 W, para el segundo
circuito se selecciono una bomba de 4 𝑙
𝑚𝑖𝑛, con un consumo de 15 W.
Mediante meteonorm se configura el TYPE 109 con toda las características climáticas
de la ciudad de Manaure. El esquema se muestra en la figura 2.27.
Figura 2.27 Montaje, primera opción (Autor)
La respuesta en estado transitorio se bosqueja en la figura 4.4, muestra globalmente
el comportamiento térmico de los fluidos de trabajo del sistema propuestos, el cual después
de aplicar sistemas de control se logra rangos de temperatura de trabajo anuales entre los
120°C a los 175°C.
141
Grafica 3.3 Temeperaturas paneles y demanda de energía del panel. (Autor)
En el lado izquierdo del grafico eje Y, se encuentran las temperaturas de trabajo en la
salida del generador del refrigerador, en el lado derecho del grafico, eje Y, muestra la
cantidad de energía aprovechable por el colector solar. A continuación se explica el
comportamiento del grafico.
La grafica 3.3 de color azul representa la temperatura del panel, la cual va asocia a la
energía que el colector solar entrega al sistema, se nota que la grafica tiene una caída muy
notable en ciertos días del año,definidos para un intervalo desde el día 2910 hasta el día
2915. La caída Energetica se repite nuevamente en los días 5840 hasta el día 5843. Al
analizar La energía entregada por el colector al generador del refrigerador se aprecia que
durante los días mencionados es muy baja, en la grafico, muetsra que entrega 91,81 𝐾𝐽
ℎ𝑟.
142
Grafica 3.4 Temperaturas paneles y tanque. (Autor)
Al pasar este resultado a Watts, la energía entregada por el circuito térmico al sistema
es de 25,5 W con una temperatura de trabajo de 98℃. esta energía es asociada a la
temperatura entregada por el panel al generador, la temperatura debe encontrarse superior a
120 ℃. El análisis en esta primera simulación determinar que la radiación solar durante los
nueve días mostrados en la grafica es relativamente baja.
Como se ha mencionado, la instalación solar tiene un tanque de acumulación para
almacenamiento de energía en el caso la energía suministrada no sea suficiente. La carga del
tanque se muestra en la grafica 3.4.
143
Grafica 3.5 Temperatura máxima del tanque acumulador. (Autor)
El acumulador no alcanza activarse, dado que la temperatura para operar que puede
suminstrar a la carga es de 98,27 ℃. Se puede comprender que el refrigerador bajo las
circustancias planteadas por parte del estado natural de Manaure, el equipo no podrá operar.
Como el resultado no es conveniente se busca una solución alterna, manteniendo el
mismo esquema de los tres colectores y la misma dimensión del acumulador, pero se agrega
en el cicuito solar un control para la evaporación del fluido.
El control de evaporación de fluido evita que la energía calórica se pierda en el
transcurso que el fluido recorre por el circuito de tuberías, mejorando la operación del sistema
permitiendo que en los días de menor irradiación solar, no sea tan influyente el desempeño
del equipo y se mantenga en condiciones normales de funcionamiento.
144
Figura 2.28 Montaje, segunda opción (Autor)
La respuesta del sistema se aprecia en la grafica 3.6, se aprecia nuevamente la grafica
de color azul la que representa la temperatura del panel. Aunque tiene un control para mejorar
la evaporación, se observa que aun existen caídas por la ausencia de energía solar, siendo de
gran relevancia.
Grafica 3.6 Temperatura máxima del panel para la segunda opción. (Autor)
145
Mediante el grafico 3.7 se puede determinar que la energía y la temperatura de panel
suministrados al sistema de refrigeración, durante los días mencionados con anetrioridad
siguen manteniedose bajos. En el caso de la temperatura se observa que se mantiene por
debajo de la temperatura objetivo de operación, la cual debe estar en 120 ℃, el dato censado
por el simulador Trnsys es de 91,70 ℃ y la energía que el panel entrega al sistema es de 252
𝑘𝐽
ℎ𝑟 o 70 W. El control mejora los puntos de operación de la instalación solar, pero no es
suficiente para que el refrigerador opere con una radiación baja.
La activación del tanque es similar al primer montaje quedando el respaldo fuera de
servicio, yal como se representa en la grafica 2.28
Grafica 3.8 Temperatura máxima del tanque acumulador segunda opción. (Autor)
Con los resultados expuestos hasta el momento, el sistema de captación solar no es
favorable, porque el sistema queda fuera de servicio. En consecuencia se plantea una tercera
posibilidad pensando en el funcionamiento del equipo con la baja radiación que presenta la
ciudad de Manure.
146
Para la tercera opción se asume más colectores térmicos, un total de 8 conectados en
paralelo y un tanque de mayor capacidad, con un volumen de 6 𝑚3, se ,mantiene el mismo
sistema de bombeo como el control de evaporación para el aceite.
La figura 2.28 muestra el comportamiento global del sistema solar, se puede observar
que el colector se encuetra en el rango de temperaturas de operación estando en la minima
de 120 ℃, con una máxima de de 175℃. Al inciar el arranque del sistema con los 8
captadores se muestra que la energización del sistema tarda un poco más para llegar a la
temperatura objetivo.
La energía entregada por la planta solar al generador del equipo está en un rango de
1.6 kW con temperaturas de operación por encima de los 200 ℃, cabe resaltar que el sistema
de refrigeración no puede pasar de 175℃ en la salida delgenerador, porque causaría un daño
irreparable en el refrigerador.
Grafica 3.9 Temperatura máxima del tanque acumulador. (Autor)
147
Con esta solución el sistema térmicamente funciona siempre y cuando se añada
sistemas de control que permita que el sistema de bombeo del colector solar se apage cuando
se cense temperaturas cercanas a los 175 ℃ por el punto de ignición del aceite.
Al analizar el sistema comercialmente, el montaje no es una solución optima, en
primer lugar se debe utilizar un sistema de automatización como BMS pequeño programable
para apagar y encender el sistema de bombeo primario en función de la temperatura. El
tanque de acumulación es de dimensiones considerables y la cantidad de colectores térmicos
para cubrir la demanda de un refrigerador de 40 litros de capacidad, el costo beneficio es alto.
El sistema funciona si se agrega un equipo de apoyo adicional al tanque de
acumulación, se porpone el mismo montaje propuesto en la segunda opción, tres colectores
solares, un tanque de acumulación de 0.5 𝑚3, dos bombas un control de evaporación para
fluido, sistema fotovoltaico para energizar el sistema de bombeo y gas propano.
En la figura 2.29, se aprecia el montaje, se genera un informe de simulación mediante
las graficas y se analiza el comportamiento del equipo.
148
Figura 2.29 Montaje, segunda opción (Autor)
La grafica global 3.0, muestra el comportamiento del sistema, aunque existen las
caídas por falta de irradiación solar, el calentador extra que funciona con gas propano
mantiene el refrigerador encendido, dado que entrega como minimo 208 W, asociado a una
temperatura de 130 ℃. Cuando se tiene radiación solar el panel suminitra como minimo 99,17
W con rangos de temperatura superiores a los 130 ℃.
149
Grafica 3.10 Temperatura máxima del tanque acumulador. (Autor)
La cantidad de gas propano que se isntala en el circuito como apoyo son de 13 Kg
anuales, lo equivalente a un cilindro comercial de 30 libras. Este dado se obtiene de Trnsys
el cual genera un informe del consumo de energía del calentador extra.
El tanque de acumulación mantiene la masa de aceite con una temperatura minima
hasta de 119℃, tal como se observa en la grafica 3.1, un grado por debajo de la temperatura
objetivo, pero funciona el equipo con aumento de temperatura en la cava de 1 ℃ a 1.5 ℃,
siendo manejable durante la operación del sistema.
150
Grafica 3.11 Temperatura máxima del tanque acumulador. (Autor)
Al funcionar el sistema de refrigeración con un circuito térmico sustentado mediante
energía solar, se selecciona un sistema fotovoltaico para el sistema de bombeo, seleccionado
para aceite en corriente directa, para evitar agregar un inversor DC/AC. Las especificaciones
son dadas por el fabricante y los cálculos para selección de los mismos se encuentran
registrados en la sección 3.1.3.1 bajo el sub tema diseño sistema fotovoltaico.
La grafica 3.2 relaciona el comportamiento global de las celdas lagrafica de color rojo
representa la energía que suministra los fotovoltaicos a las bombas y la grafica de color
rosado representa la carga de las baterias. Estas ultimas son el respaldo del equipo cuando no
hay energía solar presente.
151
Grafica 3.12 Comportamiento sistema Fotovoltaico. (Autor)
El grafico muestra que la máxima energía que aporta es de 1350 W, las bomas solo
requieren 75 W para su funcionamiento. Cuando ha ausencia de sol las baterias se encienden
suministrando hasta 216 W como respaldo. La configuracióel consta de 9 paneles en paralelo
debido a que se necesitan 6 celdas en serie y 10 en paralelo para lograr acumular la suficiente
carga para cubrir varios dias seguidos sin radiación.
152
4.4. Coeficiente de Operación del sistema Servel:
Los sistemas de absorción tiene ventaja sobre los sistemas de compresión porque
pueden utilizar fuentes energéticas como vapor, agua caliente y radiación solar. La eficiencia
de cualquier equipo de refrigeración se mide bajo la condensación, que es dinde se encuentra
instalado el equipo y la cantidad de energía que absorbe de la cava de conservación de
alimentos.
En este apartado se hara un análisis de eficiencia en diferentes épocas del año para
analizar como se despempeña el equipo en trabajo real.
Se parte en que el refrigerador se encuentra al nivel del mar, es decir que no se
considera perdidas por altura. Como el medio de condensación del refrigerador es por aire se
toma los datos meteorológicos dados por el meteonor, que a su vez son procesados por
Trnsys, en la tabla(), se relaciona las cuatro temperaturas exponentes durante el año, en
Manaure Guajira. La grafica 3.3, representa los datos climáticos de Manaure.
Tabla 2.9
Tem Maxíma 35.74 ℃ temperatura de evaporación (W)
5℃
Tem Media Alta 29.38 ℃ 5℃
Tem Media Baja 27.60 ℃ 5℃
Tempe Baja 24 ℃ 5℃
Comportamiento del equipo bajo condiciones climáticas de Manaure:
La grafica muestra la temperatura ambiente con las líneas rojas, la azul es la
temperatura que entrega el colector y la grafica café la energía disponible que entrega el
colector al generador.
153
Grafica 3.12 Comportamiento del sistema con un calentador a gas propano como
segundo apoyo. (Autor)
El panel genera una demanda de energía para encender el generador, esta energía va
en función de la temperatura que entrega el panel, la relación se encuentra en la tabla 2.10
Tabla 2.10 Eficiencia del sistema en relación a la capacidad frigorifica
La temperatura ambiente es proporcional a la temperatura entregada por el colector
solar, al aumentar la temperatura aumenta la energía entregada por el circuito de energía
solar, la capacidad frigorífica cambia, puesto con mayor demanda de energía por parte del
generador, mayor será la absorción de refrigeración por la cava.
Cuando la temperatura dismunuye la carga de refrigeración real disminuye al igual
que la eficiencia del colector del sistema de refrigeración. El 61% del tiempo Manaure se
mantiene bajo la temperatura de 29, 3 ℃, permitiendo observar que la demanda frigorífica es
similar, solo varia un 0,5% lo calculado en el capitulo tres de está investigación.
Temperatura
ambiente
Temperatura salida
panelEnergía del panel
Demanda frigorifica
calculada
Demanda
frigorifica en
condicion real
COP Real
34,9 172 0,319722222 0,014 0,02 0,0625543
29,3 158 0,22 0,014 0,01393 0,06331818
27 145 0,144444444 0,014 0,0091 0,063
24 137 0,105555556 0,014 0,0066 0,06252632
154
El comportamiento de la eficiencia energética del sistema de refrigeración frente a la
temperatura ambiente se puede ver en la grafica 3.13
Grafica 3.13 COP comparado con la temperatura ambiente. (Autor)
La grafica muestra que entre mayor sea la temperatura menor es la eficiencia, porque
el equipo demanda más energía, cabe resaltar que el COP solo varia un 0.045%.
La temperatura ambiente frente a la temperatura entregada por el colector es
proporcional, como se había indicado anteriormente, entre mayor sea la temperatura
ambiente mayor será la temperatura entregada en la salida del generador, es decir que la
radiación depende en este caso de la temperatura ambiente. Grafica 3.14
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0
5
10
15
20
25
30
35
40
1 2 3 4
comportamiento del COP frente a la Temperatura
Temperatura ambiente COP Real
155
Grafica 3.14 Temperatura salida del panel comparada con temperatura entregada por
el colector termico. (Autor)
En la grafica 3.15, se muestra el comportamiento del COP del sistema frente a la
energía del panel, se puede ver que es prácticamente constante, como se explico con
anterioridad solo varia un 0.045%.
Grafica 3.15 Energía entregada por el panel comparado con el COP . (Autor)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
1 2 3 4
Temperatura ambiente comparada con temperatura entregada por el colector
Temperatura ambiente Temperatura salida panel
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
1 2 3 4
Energía del panel comparado contra el COP
Energía del panel COP Real
156
La demanda frigorífica se puede observar en la grafica 3.6, la barra número uno
permite visualizar la capacidad del refrigerador, aumenta considerablente en el pico mayor
pero cae el rendimiento, cuando dismunuye la capacidad frigorífica la eficiencia aumenta un
1.2%.
Grafica 3.16 Demanda frigorífica en función del COP . (Autor)
4.5 Discución de resultados:
4.5.1 comparativo entre un sistema de refrigeración por compresión
En el capitulo dos en la sección 2.1.1, se hace referencia a los sistemas de refrigeración más
comunes en la actualidad, partiendo de la tecnología más común, la compresión de vapor, si
se compara energéticamente frente a la tecnología de absorción se tiene lo siguiente.
El rendimiento de un refrigerador domestico por compresión de 40 litros comercial esta en
5.5 𝑊
𝑊 , frente a un equipo de absorción que tiene un rendimiento (COP), cercano a 0.2
𝑊
𝑊 , sin
embargo la absorción en algunos casos compensa, ya que la energía para encender el sistema
proviene de una fuente calórica que puede ser más económica con el uso de vapores de
calderas redireccionados como un recuoerador de calor siendo aprovechable, incluso residual
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
1 2 3 4
Demanda Frigorifca Real comparada con el COP
Demanda frigorifica en condicion real COP Real
157
o un subproducto destinado a desecharse, como vapores residuales de ingenio o el uso de la
radiación solar, energía que se encuentradisponible todos los días en intervalos de tiempos.
En el caso del refrigerador por absorción estudiado en este trabajo, se nota bajo mediciones
del equipo con el uso de dataloger de la universidad tecnológica distrtital, muestra que el
consumo del equipo se encuentra en 78 W reales equivalente al consumo de un bombillo
tradicional. La demanda energética para este caso es pequeña, en el caso que la radiación
solar disminuya se puede utilizar sistemas de apoyo, como as propano, inclusive leña,
obteniendo frio con energía calórica.
El sistema de compresión normalmente opera con energía eléctrica, como se mostro en la
sección 4.4 coeficiente de operación del sistema Servel, se aprecia que entre mayor sea el
consumo eléctrico menor será la eficiencia. Esta eficiencia depende también del lugar donde
se encuentre instalado el sistema, la operación de un refrigerador no es la misma en una
ciudad de clima frio con una altura considerable, que un sistema que se encuentre a nivel del
mar con una temperatura alta. En cuanto al trabajo del compresor si la temperatura de
condensación aumenta más es el consumo, tal como se bosqueja en la figura 2.30. Según el
estudio realizado por Henry Querales en el año 2015 de la Universidad Fermon Toro,en la
pagina 6 de su articulo titulado refrigeración y aire acondicionado, muestra que la eficiencia
del del sistema para zonas calidas disminuye en un 25%.
Aunque el sistema de compresión es eficiente se debe cancelar un costo por el consumo
eléctrico y dependiendo de la zona en cuanto a temperaturas de condensación, se cancela
más por el desempeño que debe hacer el compresor.
35 ℃
30 ℃
158
4.5.2 Potencial del sistema:
Bajo las condiciones de Manaure el sistema de absorción tiene un deseméño en COP del 0.17
𝑊
𝑊, como se comentaba anteriormente al compararlo con un sistema de compresión es muy
bajo.
Para conocer cuanto consume un sistema convencional y compararlo frente al sistema de
absorción, se determina la eficiencia en función a 𝑊
𝑇𝑅 .
Sistema de compresión (W
TR) comparado con consumo sistema de absorción :
Para determinar el consumo del compresor se toma el COP de una nevera mini bar marca HACEB,
la eficiencia de esta es de 4.61 𝑊
𝑊, el primer paso es convertir la unidad de kW térmicos en
Btu.
𝐶𝑂𝑃 = 4.61 𝑊
𝑊× 3.412 𝑀𝐵𝑡𝑢
Donde:
𝐶𝑂𝑃 = 15.75 𝑀𝐵𝑡𝑢
𝑊
para cumplir con objetivo de determinar 𝑊
𝑇𝑅, se hace lo siguiente:
𝐶𝑂𝑃 =
12 𝑀𝑏𝑡𝑢𝑇𝑅
15.75 𝑀𝐵𝑡𝑢𝑊
Entonces:
𝐶𝑂𝑃 = 0.763 𝑊
𝑇𝑅
Con el valor obtenido se multiplica por la capacidad del refrigerador en TR, la capacidad
térmica dada por el fabricante es de 11520 Btu este valor se pasa a TR.
11520 𝐵𝑡𝑢
12000 𝐵𝑡𝑢× 1 𝑇𝑅
0.96 𝑇𝑅
159
El consumo del compresor es:
0.763 𝑊
𝑇𝑅× 0.96 𝑇𝑅
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = 0.733 𝑊ℎ
El consumo del equipo durante un día es:
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = 0.733 𝑊ℎ × 24 ℎ × 30 𝑑í𝑎𝑠
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = 527.6 𝑊𝑚𝑒𝑠
Para el caso del absorsor, el consumo del equipo en una hora es de
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 84 𝑊ℎ
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 84 𝑊ℎ × 24ℎ × 30 𝑑í𝑎𝑠
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 60.4 𝑘𝑊𝑚𝑒𝑠
El consumo de energía del refrigerador por absorción es mayor es mayor frente al consumo
del sistema convencional, debido a que el potencial energético un 99% mayor, cabe reslatar
nuevamente que la energía necesaria para activar el sistema es gratis, se utiliza energía solar
como energía alternativa.
Perdidas del COP en sistema de compresión por temperaturas:
El comportamiento de cualquier tipo de sistema para refrigerar conservación o climatización
sufre perdidas por diferenciales de temperatura, como se explico en el apartado anterior,si es
mayor la temperatura de condensación, mayor será el trabajo del compresor, decayendo la
eficiencia del sistema, a continuación se efectuara un análisis de la caída de eficiencia en un
sistema de compresión, para compararla con el comportamiento del sistema de absorción.
160
El consumo del sistema de refrigeración por compresión varia su capacidad por los
diferenciales de temperatura durante un año. Existen días con altas temperaturas registradas
y que solo se da en un porcentaje muy pequeño durante el año. Es decir que el 2 % del año
la temperatura es maxíma 36 ℃, durante el 61.7% del año esta en la temperatura media alta,
el 23.8 del año es media y el 12.5% del año es la más baja registrada. Este dato se puede
apreciar en la figura 2.25, datos climatológicos tomados de trnsys.
Con estos diferenciales de temperatura en condensación se determinan las entalpias en la
línea de compresión del sistema de refrigeración, esto se hace con la finalidad de determinar
el trabajo del compresor. La ecuación que determina el trabajo del compresor se deduce en
un balance de energías en la entrada y salida del compresor.
𝑊𝐶 = ��𝑅134𝑎 × (ℎ𝑣 − ℎ𝑙)
El flujo masico del refrigerante R134a se determina con un balance de energías en el
evaporador, como se conoce la capacidad del equipo solo se hallan las entalpias en la entrada
y saida del evaporador.
𝑄𝑒𝑣𝑎 = ��𝑅134𝑎 × (ℎ𝑣 − ℎ𝑙)
El 𝑄𝑒𝑣𝑎 es la capacidad del refrigerador, las entalpias se determinan con la ayuda del EES y
al despejar la fomula se obtiene el flujo masico.
Las perdidas de capacidad por diferenciales de temperatura y altura de la ciudad se determina
con el software Global Hitachi, este software permite relacionar cuanto entrega un sistema
de compresión en ciertas condiciones, acercándose lo más posible a la realidad. Se ingresan
las temperaturas de condensación y la temperatura a la cual debe llegar la cava de
conservación de alimetos.
Temperaturas en la cava de congelación:
161
Temperatura de condensación:
Esta es la condición real a la cual se somete el sistema de refrigeración en las condiciones
reales, donde los resultados del sistema se ven en la siguientes tablas.
Unidad exterior Capacidad en kW
Refrigerador 3.4
Temperatura exterior h Vapor sobre
calentado kJ/Kg en baja temperatura
h Vapor sobre calentado kJ/Kg en alta temperatura
36
Temperatura condición interna h liquido Kj/kg h vapor KJ/Kg
7 40 50
Flujo Masico
Masa por segundo 0.34 39
Masa por segundo 0.34 32.6
Masa por segundo 0.34 25.8
Masa por segundo 0.34 20.6
Trabajo del compresor COP
W 7.718 34.9 2.25447
W 6.392 32.6 2.087375 COP 1.94
W 4.76 25.8 1.869748 W/TR 1.81
W 3.502 20.6 1.274272
162
El consumo real del equipo es de:
1.81 𝑊
𝑇𝑅× 0.96 𝑇𝑅
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = 1.73 𝑊ℎ × 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 × 30 𝑑í𝑎𝑠
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟 = 1.25 𝑘𝑊𝑚𝑒𝑠
En la sección 4.4 se elaboro la tabla 2.10 donde se muestra el comportamiento del
refrigerador de absorción en las diferentes temperaturas del año.
Como se explico anteriormente el sistema tiende a mantenerse no se tiene cambios muy
significativos, aunque se puede observar que el rendimiento esta en un rango del 0.063 en 𝑊
𝑊
El sistema de compresión tiende a variar mas su eficiencia y potencial pero sigue siendo
mayor en un 96.6%. cabe resaltar que el sistema de absorción es más estable en su
comportamiento energético.
Temperatura
ambiente
Temperatura salida
panelEnergía del panel
Demanda frigorifica
calculada
Demanda
frigorifica en
condicion real
COP Real
34,9 172 0,319722222 0,014 0,02 0,0625543
29,3 158 0,22 0,014 0,01393 0,06331818
27 145 0,144444444 0,014 0,0091 0,063
24 137 0,105555556 0,014 0,0066 0,06252632
163
Para mejorar el sistema de absorción se podría pensar en aumentar la transferencia de calor
en sus serpentines de evaporación. La formula de transferencia de calor lo demuestra:
𝑄 = 𝑈 × 𝐴 × ∆𝑇
La capacidad de absorber energía depende de un aunmento en el área del serpentin, al hacerlo,
el sistema varia en su circuito de tuberías, debido a que el flujo masico aumenta y al aumentar
el caudal cambia y ñpor ende el diámetro del tubo, es decir que el sistema aumentaría en
tamaño.
Otra opción es el uso de un intercambiador compacto o intercambiador de placas, el concepto
de este tipo de intercambiador es que con un área considerable se tiene poco volumen, pero
para instalar este inetercambiador se debe hacer en el proceso de ensamble del equipo, ya
que un equipo que se encuentra ensamblado no puede abrirse por que contiene amoniaco, el
cual es perjudicial para el humano.
Se recomienda considerar un área mayor en el área del serpentin, mejorando la capatación de
energía en forma de calor del producto a conservar, cabe resaltar que las propiedades del
refrigerante amoniaco son mejores que la del refrigerante 134ª, debido a que el amoniaco es
capaz de llegar a temperaturas por debajo de 60 ℃, el cual se puede aprovechar mejor en un
sistema Servel.
164
Capitulo 5
5.1 Conclusiones
Con base a los objetivos planteados al inicio de esta investigación, en los que se
propuso determinar el potencial de un sistema de refrigeración solar por absorción en zonas
de alta irradiación en Colombia para cargas de refrigeración medica y conservación de
alimentos.
A continuación se comentan las conclusiones principales derivada de los diferentes
objetivos de este estudio.
El tipo de refrigerador seleccionado es el Servel, en investigaciones anteriores a estas
muestra que el sistema no requiere de equipos de bombeo en su circuito de
refrigeración, ya que posee una tercera sustancia que es el hidrogeno.
El hidrogeno se encuentra a una atmosfera el cual permite absorber el amoniaco en
el evaporador y equilibrar presiones en todo el sistema de refrigeración dejando en
cada dispositivo del refrigerador la misma presión en la cual se encuentra en el
condensador.
Se verifico lo anteriormente mencionado con toma de temperaturas en el circuito de
refrigeración, donde se encontró que efectivamente la presión en cada dispositivo es
la misma. Se parte de la condensación donde se encuentra en un rango aproximado
de 21.22 Bar, esto se puede visualizar porque en la toma de temperaturas en el
condensador hechas en el laboratorio, se puede asociar una presión similar a la
mencionada anteriormente.
Al medir las temperaturas de evaporación para el amoniaco se encuentra que el
refrigerante en estado puro entra a una presión de 2.89 Bar y con una proporción en
la base de 1 Kg de 0.1355, este dato se especifica en el artículo the psychrometric
problema for the evaporation of NH3 in H2. Al calcular por presiones parciales se
165
halla la presión del hidrogeno. Al tomar las temperaturas en la entrada y salida del
evaporador se encuentra que es similar a la que se encuentra al condensador, y como
la presión es proporcional a la presión se denota que la presión se encuentra en el
rango de los 21.22 Bar.
Esto hace que no requiera un sistema adicional como una bomba, evitando que se
requiera más energía para accionar el sistema, logrando que el refrigerador sea
autónomo con tres sustancias de trabajo, por esta razón se selecciona el refrigerador
Servel para la aplicación de almacenamientos farmacéuticos en Manaure Guajira.
Otra razón por la que se selecciona este tipo de tecnología es el desempeño del
refrigerante. Los sistemas de absorción trabajan con dos tipos de refrigerantes y
absorbentes, el primer tipo es el que utiliza como absorbente bromuro de litio y agua
como refrigerante. El segundo tipo es el que utiliza como absorbente agua y
refrigerante el amoniaco. En revisiones posteriores se detecta que la mayoría de
ingenieros seleccionan el amoniaco como la solución más adecuada para
refrigeración, por una razon fundamental, el refrigerante por amoniaco es capaz de
bajar a temperaturas por de bajo de 60 ℃, por lo tanto este tipo de gas permite
conservar alimentos adecuadamente.
Se adquiere un sistema Servel, el cual es sometido a diferentes tipos de medición en
el aboratorio de la tecnologic. Se mide picos de encendido y apagado del refrigerador
con esto se desea establecer el patrón de consumo de corriente del equipo por la
resistencia que calienta la solución agua amoniacal, también se mide las temperaturas
de trabajo en el circuito de tuberías, además se coloca una termocupla en la entrada
del evaporador.
Las mediciones muestran que el sistema se mantiene todo el tiempo encendido, y el
consumo asociado es de 78 W, casi equivalente a un bombillo convencional. Al
comprar la demanda de energía en el generador con el modelo termodinámico
panetado para el sistema, resulta que el consumo para el generador es de 84 W, se
puede determinar que el modelo matemático se acerca a la realidad y que solo se
desfasa un 8% frente a la condición real. Cabe resaltar que el calculo termodinamico
166
esta por encima de lo requerido, permitiendo tener una variable de holgura en el
proceso de refrigeración.
Con el calor requerido del generador se tiene el primer parámetro para determinar el
coeficiente de operación del sistema de refrigeración solo faltando la capacidad
térmica del equipo.
Se determinó la capacidad del equipo ingresando agua a temperatura ambiente en la
cava de conservación y se midió cuanto se demora en reducir un grado de temperatura
el sistema, con los datos obtenidoss determino que la capacidad del refrigerador es de
14 W, la cuales son muy cercanas en equipos de está tecnología.
Con la capacidad del sistema se determina el coeficiente de operación del refrigerador
el cual da como resultado 0.17 𝑊
𝑊. En artículos de investigación se menciona el rango
de COP para este tipo de sistemas, el documeto titulado Investigation of a diffusion
absorption refrigerator y un trabajo de grado titulado diseño de un sistema de
absorción didáctico, articulo publicados por el doctor Cesar Isaza y tesis dirigida por
el mismo , se referencia que el COP de estos sistemas en condiciones ideales están
entre un 0.2 a 0.4 𝑊
𝑊, al comprarlo con el refigerador el cual se encuentra en
condiciones reales de operación, el coeficiente de operación es similar a los datos
obtenidos en los artículos anteriores.
Se ha modelado la instalación solar térmica y fotovoltaica en TRNSYS, para validar
el desempeño del sistema, con respecto a los cálculos elaborados en la sección 3.5
bajo el tema balance termico.
Se detremina que el sistema funciona en condiciones normales de operación la
mayor parte del año, según grafica 3.3 simulada por trnsys, pero cuando la radiación
solar en algunas épocas del año se encuentra por debajo de los 780 𝑊
𝑚2, como lo
relaciona la grafica 3.3 en su pico más bajo, muestra que la temperatura del colector
cae hasta 80℃, dejando sin operación durante un intervalo de 9 días el sistema de
refrigeración.
167
Para Asegurar el servicio del refrigerador durante los 9 días que cae la radiación
solar, se aumenta la instalación a 8 colectores térmicos, garantizando que la demanda
de energía sea mayor, esto aumenta la temperatura del generador, que depende de la
instalación solar,se calcula la demanda de energía de acumulación la cual esta en
función de la masa, como esta esta en función de la densidad de determina un nuevo
volumen para el acumulador , este cambia su dimensión un 91% de 0.5 𝑚3 iniciales
a 6𝑚3. De esta manera se determino mediante la simulación que el sistema funciona
en condiciones normales de operación sin tener ninguna caída en el sistema.
El inconveniente de esta solución, es la limitante con respecto a la temperatura de
ignición del aceite, la grafica 3.9 muestra que el aceite se calienta a más de 220 ℃ ,
el cual empesaria a cambiar de fase liquida a fase gaseosa, teniendo en cuenta la tabla
2.5, del capitulo 2 bajo el sub tema 2.3.3, titulada, Fluido para el circuito del colector
térmico,. La tabla relaciona la máxima temperatura que el aceite puede trabajar sin
empezar a hervir, como se muestra supera su temperatura de ignición por un 20%.
Para este caso en particular se debe acoplar un sistemas de control de encendido y
apagado de la bomba primaria, donde este sistema debe ser capaz de sensar la
temperatura que ingresa al colector y cuando supere la temperatura de ignición apage
la bomba primaria, con esto se garantiza que el caoportador no pase a la fase vapor
Con esta solución se garantiza las temperaturas objetivos para el
funcionamiento del sistema de refrigeración, pero el aumento de colectores,
capacidad del tanque acumulador y adicioar un sistema de control, hace que la
solución sea inviable, por la siguiente razon.
La capacidad requerida de instalación solar al configurarla frente al sistema de
refrigeración de capacidad de 40 litros seleccionada, requiere como máximo una
potencia de 84 W, la cual se calculo en la sección 3.5 de este documento. se puede
csustentar con un sistema fotovoltaico el cual energizaria una resistencia térmica,
excluyendo los colectores termicos.
168
Al analizar el sistema con las condiciones iniciales planteadas, se reviso en la
grafica 3.12 el comportamiento del tanque que es el apoyo del sistema cuando se
registran caídas de radiación solar como se bosqueja en la grafica 3.3.
Cuando se requiere activar el apoyo energético, el tanque no alcanza acumular la
suficiente masa de aceite que requiere para trasportar la demanda energética necesaria
en horas de ausencia de radiación, por tal razón el equipo solo será capaz de
suministrar 80 ℃.
Para la activación del refrigerador se requiere como minimo 120 ℃ en la salida
del generador, es decir que se encuentra por debajo de la temperatura de operación
un 33.3 %. para compensar esta perdida se instala un segundo respaldo, un
calentador, con fuente energética de gas propano. Se determino que el consumo es
de 13 kg por año. Siendo la solución más apropiada para trabajar solo con energía
solar.
El coeficiente de rendimiento energético del refrigerador, depende de los puntos
críticos ambientales de Manaure, que son la temperatura alta, media alta, media y la
más baja registrada durante un año. Con la grafica 3.12 generada por el trnsys se
determina las condiciones meteorológicas de la ciudad en mención. Con el software
meteonorm se genera un informe climatológico que a su vez se enlaca con el montaje,
esto mide el coeficiente de operación en distintos meses del año .
Al comprar el comportamiento del refrigerador frente a la temperatura más baja
regsitrada en el refrigerador según la grafica 3.16 se concluye que a menor energía
entregada por la condición climática el calor total de conservación disminuye,
aumentando la temperatura dentro del refrigerador.
Si la demanda Energetica Aumenta por la radiación solar la temperatura del
sistema dismunuye hasta 10 ℃ bajo cero, mejorando el coeficiente de operación del
equipo tal como se muestra en la grafica 3.2 del capitulo cuatro de esta investigación.
Se puede concluir que durante 356 días del año el refrigerador trabaja en condiciones
normales de operación, sin la necesidad de un segundo apoyo como lo es el calentador
de gas propano. Si se adiciona el sistema trabaja durante un 365 días del año en
condiciones normales de operación.
169
Al comprar un sistema convencional por compresión, se denota que el sistema es más
eficiente, los rangos dados por fabricantes para un equipo de 40 litros mini bar es de
4.16 𝑊
𝑊, al comprarlo con un equipo de absorción, que por los datos obtenidos en las
mediciones y cálculos posteriores su coeficiente es mas bajo un 96%, sin embargo el
sistema de absorción utiliza una energía alternativa como la solar, el costo de la
energía es cero y aunque no se tenga radiación solar, al sistema se le puede acoplar
otro tipos de energía alternativa ya que su fuente para activar el equipo es calor.
La eficincia del equipo depende de la cantidad de energía calórica que el equipo
absorbe durante el proceso de refrigeración, si mejora la transferencia de calor el
sistema mejora en eficiencia, para lograrlo se debe aumentar el área del serpentin del
evaporador. Al hacerlo el flujo masico aumenta y a su vez el diámetro del serpentin,
esto aumenta el tamaño del equipo considerablemente pero tendrá mejoras en
eficiencia.
170
6 Anexos
6.1 Comportamiento del refrigerador Servel en EES
"Datos entrada condensador estado 1"
T[0]= 263 [K] " La temperatura de evaporación del amoniaco usando un delta de -15 y
teniendo en cuenta que la temperatura de conservacion es 5"
T[1]=325 [K] "Temperatura de entrada en estado gaseosos al condensador"
x[1]=1
x[2]=0
T[3]=298 [K]
T[4]=301,7 [K]
Qr[0]=0,014 [KJ/s] "Capacidad frigorifica de la nevera"
"Estado termodinamico 1 entrada condensador"
P[1]=PRESSURE(Ammonia;T=T[1];x=x[1])
h[1]=ENTHALPY(Ammonia;x=x[1];P=P[1])
"Estado termodinamico 2 salida del condensador"
T[2]=T[1]
P[2]=P[1]
h[2]=ENTHALPY(Ammonia;x=x[2];P=P[2])
"Estado termodinamico 3 salida de Hidrogeno"
h2[3]=14,39*T[3]-68,991
P[3]=P[1]
"Estado termodinamico 4 entrada al evaporador"
P[4]=PRESSURE(Ammonia;T=T[0];x=x[2])
h[4]=ENTHALPY(Ammonia;T=T[0];x=x[2])
x[4]=P[4]/P[1]
171
Ht[4]=h[4]*x[4]+(1-x[4])*h2[3]
"Estado termodinamico 5 salida del evaporador"
P[5]=P[4]
h[5]=ENTHALPY(Ammonia;T=T[0];x=x[1])
Ht[5]=h[5]*x[4]+(1-x[4])*h2[3]
"Estado Termodinamico 6 entrada del absorsor"
P6=P[1]
T6=263
x6=0,99 "Presencia de amoniaco"
Call NH3H2O(123; T6; P6; x6: T[6]; P[6]; x[6]; h[6]; s[6]; u[6]; v[6]; Qu[6])
"Estado Termodinamico 7 entrada al absorsor mezcla pobre"
P7=P[1]
T7=353
x7=0,55
Call NH3H2O(123; T7; P7; x7: T[7]; P[7]; x[7]; h[7]; s[7]; u[7]; v[7]; Qu[7])
"Estado Termodinamico 8 salida del absorsor"
P8=P[1]
T8=453
x8=0,15
Call NH3H2O(123; T8; P8; x8: T[8]; P[8]; x[8]; h[8]; s[8]; u[8]; v[8]; Qu[8])
"Estado Termodinamico 9 salida reservorio"
P9=P[1]
T9=343
x9=0,62
Call NH3H2O(123; T9; P9; x9: T[9]; P[9]; x[9]; h[9]; s[9]; u[9]; v[9]; Qu[9])
"Estado Termodinamico 10 entrada intercambiador"
P10=P[1]
T10=353
x10=0,6
Call NH3H2O(123; T10; P10; x10: T[10]; P[10]; x[10]; h[10]; s[10]; u[10]; v[10]; Qu[10])
"Estado Termodinamico 11 salida del intercambiador"
172
P11=P[1]
T11=398
x11=0,33
Call NH3H2O(123; T11; P11; x11: T[11]; P[11]; x[11]; h[11]; s[11]; u[11]; v[11]; Qu[11])
"Estado Termodinamico 12 entrada al generador"
P12=P[1]
T12=398
x12=0,77
Call NH3H2O(123; T12; P12; x12: T[12]; P[12]; x[12]; h[12]; s[12]; u[12]; v[12]; Qu[12])
"Estado Termodinamico 13 salida del generador"
P13=P[1]
T13=463
x13=0,89
Call NH3H2O(123; T13; P13; x13: T[13]; P[13]; x[13]; h[13]; s[13]; u[13]; v[13]; Qu[13])
"Estado Termodinamico 14 salida del separador"
P14=P[1]
T14=463
x14=1
Call NH3H2O(123; T14; P14; x14: T[14]; P[14]; x[14]; h[14]; s[14]; u[14]; v[14]; Qu[14])
"Ecuaciones"
m[5]=((Qr[0])/(Ht[5]-Ht[4]))
m[1]=((m[5]*(Ht[4]-h2[3])/(h[2]-h2[3])))
mbi[14]=(m[1]*h[1])/(h[13]-h[14])
m[3]=mbi[14]*(h[8]-h[9])/h2[3
Qg[14]=mbi[14]*(h[13]-h[12])
COP[15]=Qr[0]/Qg[14]
Qcon[1]=m[1]*(h[1]-h[2])
Qabs[7]=Qr[0]+Qg[14]-Qcon[1]
173
"Flujos masicos de agua y amoniaco en cada dispositivo"
mNH3[6]= x6*mbi[14]
mH2O[6]=(mNH3[6]/x6)-mNH3[6]
mNH3[7]= x7*mbi[14]
mH2O[7]=(mNH3[7]/x7)-mNH3[7]
mNH3[8]= x8*mbi[14]
mH2O[8]=(mNH3[8]/x8)-mNH3[8]
mNH3[9]= x9*mbi[14]
mH2O[9]=(mNH3[9]/x9)-mNH3[9]
mNH3[10]= x10*mbi[14]
mH2O[10]=(mNH3[10]/x10)-mNH3[10]
mNH3[11]= x11*mbi[14]
mH2O[11]=(mNH3[11]/x11)-mNH3[11]
mNH3[12]= x12*mbi[14]
mH2O[12]=(mNH3[12]/x12)-mNH3[12]
mNH3[13]= x13*mbi[14]
mH2O[13]=(mNH3[13]/x13)-mNH3[13]
mNH3[14]= x14*mbi[14]
mH2O[14]=(mNH3[14]/x13)-mNH3[14]
174
6.2 Resultados Comportamiento real del refrigerador
Grafica 3.17 Resultados EES sistema Servel. (Autor)
175
Comportamiento real del refrigerdor en condiciones reales de operación
Temperatura 34℃
Grafica 3.18 Resultados en EES para COP con una temperatura de 34 ℃ (Autor)
176
Grafica 3.19 Resultados en EES para COP con una temperatura de 29 ℃ (Autor)
177
Grafica 4.0 Resultados en EES para COP con una temperatura de 27 ℃ (Autor)
178
Referencias
Trnsys 17. (2009). A transient system simulation program. Mathematical Reference.
wisconsin, Estados Unidos. 4, Recuperado de
http://web.mit.edu/parmstr/Public/TRNSYS/04-MathematicalReference.pdf
Aguirre, P y Barrios, C. (2016). ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA IMPLEMENTAR
SISTEMAS FOTOVOLTAICOS EN LA MODERNIZACIÓN DEL ALUMBRADO
PÚBLICO EN GALAPA-ATLÁNTICO. (Tesis de pregrado). Universidad Francisco
José de Caldas. Bogotá, Colombia.
AL-SHEMERI, T. &. (2003). THEORETICAL INVESTIGATION AND PARAMETRIC
STUDY OF DIFFUSION ABSORPTION REFRIGERATION SYSTEM. School of
Engineering and Advanced Technology, Staffordshire University, 1-8.
Aquatek, B. (2016). Casa de las bombas en DC. Recuperado de
http://www.bioaquatek.com/es/bombas-jebao-dc/449-jebao-jecod-dc-1200-8-speed-
dc-pump-controller-1000-lph-.html
ARIAS HENAO, C. (2018). Comportamiento Nevera Dominc. Bogotá.
Carrier Air conditioning company. (1978). Manual de Acondicionamiento de Aire.
Barcelona: Marcombo S.A.
Isaza, C. (2014). Estudio de la Carga Termica en refrigeradores dómesticos para climas
tropicales. Avance en ciencias y tecnólogias del frio, 8.
Isaza, C. (2015). INTEGRACIÓN DE UN REFRIGERADOR POR
ABSORCIÓNDOMÉSTICO A UN SISTEMA DE ENERGÍA SOLAR.
Universidad Pontificia Bolivariana.1-8. Recuperado de
https://www.researchgate.net/publication/266566248_INTEGRACION_DE_UN_R
EFRIGERADOR_POR_ABSORCION_DOMESTICO_A_UN_SISTEMA_DE_EN
ERGIA_SOLAR
CHAMORRO, M. (20015). Cuantificación y caracterización de la radiación solar en el
179
Guajira -Colombia mediante el cálculo de. 13, pp. 54-63.
Compañia Yuasa. (2018). Baterias en DC y AC. Recuperado de https://www.yuasa.es/:
https://www.interempresas.net/FeriaVirtual/Catalogos_y_documentos/86290/Yuasa.
Isaza, C. (2015). Implementación de un equipo didáctico de refrigeración por absorción
difusión. Medellin.
Pita, E. (1994). Acondicionamiento de Aire Principios y Sistemas. Impreso en Mexico DF:
CECSA.
Pita, E. (1994). Acondicionamiento de Aire, Principios y sistemas . Nueva York: CECSA.
Pita, E. (2013). Principios y sistemas de Refrigeración . Mexico DF: Limusa.
Exelsolar. (2018). Mayorista en soluciones de energía fotovoltaica. Recuperado de www.
exesolar.com: http://www.exelsolar.com.mx/Descargas/Catalogo-Exel-Solar.pdf
Trujeque, J. (2010). Diseño de refrigeración solar por adsorción para clima calido
humedo. Quéretaro. (Tesis de Maestría). Instituto Politécnico Nacional. Recuperado
de
https://tesis.ipn.mx/bitstream/handle/123456789/6810/JGTB.TESIS.pdf?sequence=
1&isAllowed=y
Jones, J & Dugan, B. (1997). Ingeniería Termodinámica. Virginia, Estados Unidos: A
simon & Schuster Company.
Alarcón, C. (2000). Tratado Practico de refrigeración. Madrid, España: Marcombo S.A.
Kouremeneos, D & Stegou, A. (1988). The psychrometric problem for the evaporation of
NH3 in NH3/H2 atmosphere in neutral gas absorption refrigeration units for
pressures 17.5 to 27.5 bar. 8. pp. 373-378.
Rodríguez, M. (2017). Refrigeración con amoniaco: aplicaciones, funcionamiento y
propiedades. Recuperado de Revistas digitales:
https://revistadigital.inesem.es/gestion-integrada/refrigeracion-con-amoniaco/
180
MORAN, M. (2004). Fundamentos de Termodinamica Termica: Mezclas Binarias. The
Ohio, Estados Unidos: Reverte S.A.
Molero, N. (2015). Sistema de refrigeracion solar basado en máquinas de absorción para
el sector residencial. (Tesis doctoral). Universidad de Málaga. Monterrey.
Recuperado de
https://riuma.uma.es/xmlui/bitstream/handle/10630/13104/TD_MOLERO_VILLAR
_Natividad.pdf?sequence=1
Green, D & Perry, R. (1980). Perry´s Chemical Engineers, Absorption Systems. Nueva
York, Estados Unidos: McGRAW-HILL.
Cuervo, R., Mendez, J. y Berau Veritas Business School. (2011). Energía solar Termica.
Madrid: Fundacion comfet Metal.
Dorf, R. (2003). Circuitos Electricos: Potencia en estado Estable: Factor de potencia.
Universidad de California. Los Angeles. Editorial AlfaOmega. Recuperado de
https://archive.org/details/CircuitosElectricosEdicion6DorfSvoboda/page/n517
Dossat, R. (1961). Principios de refrigeración. CECSA.
Stoecker, W. (1965). Refrigeración y acondicionamiento de Aire. Madrid: Marques de
Monteagudo.
TORELLA ALCARAZ, J. N. (2005). Manual de climatización, Psicrometria. Valencia:
Marcombo.
UPME. (2005). Ministerio de minas de energía . Obtenido de Ministerio del medio
ambiente:
https://biblioteca.minminas.gov.co/pdf/Atlas%20de%20radiaci%C3%B3n%20solar
%20Colombia.pdf
Yogi, G. (2015). Primcipales of solar engineering. Nueva York: CRC Press Taylor &
Francis Group.
Ley 9. (1979). Por la cual dictan medidas sanitarias. El Congreso de Colombia.
181
Recuperado de
http://copaso.upbbga.edu.co/legislacion/ley_9_1979.Codigo%20Sanitario%2
0Nacional.pdf
